CN108008733B - 一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备 - Google Patents

一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备，所述方法包括步骤：建立水下机器人的坐标系；以所述坐标系建立水下机器人电机布局方式；建立水下机器人的控制系统模型；设定所述控制系统模型中的传递函数及电机模型；进行坐标变换，建立世界坐标系和水下机器人坐标系的联系；完成水下机器人的姿态控制。一种水下机器人姿态控制设备及存储设备，用来实现所述方法。本发明在水下机器人受到扰动的情况下可以高效实时地对其姿态进行控制。

Description

一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备。
背景技术
水下机器人需要实现的两项重要功能为：水下定点拍摄和水下定点采样。这两项功能的基础在于，水下机器人能在水下复杂水流环境中实现姿态的稳定控制。因此，实现水下机器人在复杂水下工况中的姿态稳定就成为业界关注的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备，在水下机器人受到扰动的情况下可以高效实时地对其姿态进行控制，从而有效解决上述技术问题。
本发明提供的技术方案是：一种水下机器人姿态控制方法，所述方法包括步骤：建立水下机器人的坐标系；以所述坐标系建立水下机器人电机布局方式；建立水下机器人的控制系统模型；设定所述控制系统模型中的传递函数及电机模型；进行坐标变换，建立世界坐标系和水下机器人坐标系的联系；完成水下机器人的姿态控制。存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现所述一种水下机器人姿态控制方法。一种水下机器人姿态控制设备，所述设备包括处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现所述的一种水下机器人姿态控制方法。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备，通过解耦式布局水下机器人电机获得水下机器人各个轴的解耦控制方式，然后通过回归拟合方式得到电机模型，再通过设定好的各种传递函数确定各部位输入输出关系，最后通过坐标变换将世界坐标系与机器人坐标系建立关系，从而在水下机器人受到扰动的情况下可以高效实时地对其姿态进行控制。
附图说明
图1是本发明实施例中水下机器人姿态控制方法的整体流程图；
图2是本发明实施例中水下机器人坐标系及电机布局示意图；
图3是本发明实施例中水下机器人姿态控制系统模型示意图；
图4是本发明实施例中电机占空比与力拟合示意图；
图5是本发明实施例中电机占空比与电机输出力拟合曲线示意图；
图6是本发明实施例中坐标变换示意图；
图7是本发明实施例的硬件设备工作示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述，下文中提到的具体技术细节，如：方法，设备等，仅为使读者更好的理解技术方案，并不代表本发明仅局限于以下技术细节。
本发明的实施例提供了一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备。请参阅图1，图1是本发明实施例中水下机器人姿态控制方法的整体流程图，所述方法由硬件设备实现，具体步骤包括：
S101：建立水下机器人的坐标系，包括：移动坐标系，具体为：为x轴、y轴和z轴；旋转坐标系，具体为：l轴、m轴和n轴。
S102：以所述坐标系建立水下机器人电机布局方式，具体为：所述电机具体数量为8台电机，记为：M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7及M8；所述8台电机的功能具体为：M1及M4用于控制l轴的稳定，M2及M3用于控制m轴的稳定，M5及M6用于控制n轴的稳定，M7及M8用于控制x轴的稳定，M5及M6用于控制y轴的稳定，M1、M2、M3及M4用于控制z轴的稳定；上述电机布局不存在耦合关系，故所述x轴、y轴、z轴、l轴、m轴及n轴的稳定性为分开控制。
S103：建立水下机器人的控制系统模型，所述水下机器人的控制系统模型包括：控制器、电机、水下机器人本体、运动干扰及测量误差。
S104：设定所述控制系统模型中的传递函数及电机模型。所述传递函数包括：水下机器人姿态控制传递函数及控制器传递函数；所述水下机器人姿态控制传递函数为：
Figure GDA0002299801190000031
其中，θ为水下机器人的姿态角，T为水下机器人受到的外力矩，I为水下机器人对于某一旋转轴的转动惯量，k为水下机器人在水中执行转动运动的阻尼系数；所述控制器传递函数为：
时域输出表达式为：
Figure GDA0002299801190000033
其中，Kp为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。所述电机模型具体为：直流电机占空比-输出拉力模型及直流电机占空比-输出推力模型；所述电机模型采用回归拟合方式得到，基本公式为：
Figure GDA0002299801190000034
其中，A,B及C为拟合参数。所述直流电机占空比-输出拉力模型经过拟合具体为：
Figure GDA0002299801190000041
所述直流电机占空比-输出推力模型具体为：
Figure GDA0002299801190000042
S105：进行坐标变换，建立世界坐标系和水下机器人坐标系的联系。具体为：
其中，xp及yp为水下机器人坐标系，x及y为世界坐标系，(a，b)为水下机器人坐标系原点在世界坐标系中的坐标，θ为旋转角。
S106：完成水下机器人的姿态控制。
参见图2，图2是本发明实施例中水下机器人坐标系及电机布局示意图，包括：x轴、y轴、z轴、l轴、m轴、n轴、电机M1、电机M2、电机M3、电机M4、电机M5、电机M6、电机M7及电机M8。其中，x轴、y轴及z轴为运动方向轴，l轴、m轴及n轴为旋转方向轴，z轴及n轴的方向相同。电机M1及电机M4用于控制l轴的稳定，电机M2及电机M3用于控制m轴的稳定，电机M5及电机M6用于控制n轴的稳定，电机M7及电机M8用于控制x轴的稳定，电机M5及电机M6用于控制y轴的稳定，电机M1、电机M2、电机M3及电机M4用于控制z轴的稳定；上述电机布局不存在耦合关系，故所述x轴、y轴、z轴、l轴、m轴及n轴的稳定性为分开控制。
参见图3，图3是本发明实施例中水下机器人姿态控制系统模型示意图，包括：预期的角度或位置R(s)、PWM波的占空比P(s)、控制器Gc(s)、电机Gd(s)、电机输出的力或力矩F(s)、运动干扰Td(s)、机器人G1(s)、实际位置或角度θ(s)、测量误差N(s)及测量到的位置或角度。由图中可见，所述控制系统模型采用的是PID控制模型。
参见图4，图4是本发明实施例中电机占空比与力拟合示意图，包括：电机产生的拉力401、水槽402、水下电机403、线404及拉力计405。图中显示的是电机占空比与电机输出拉力进行拟合的实验系统，对于电机占空比与电机输出推力进行拟合的实验系统，其他装置不变，只需要将电机旋转180°安装即可，在此不再赘述。
参见图5，图5是本发明实施例中电机占空比与电机输出力拟合曲线示意图，包括：电机占空比与电机输出拉力关系点501、电机占空比与电机输出拉力拟合曲线502、电机占空比与电机输出推力关系点503及电机占空比与电机输出推力拟合曲线504。图中各点的具体数据见表1及表2，表1为电机占空比与电机输出拉力关系表，表2为电机占空比与电机输出推力关系表。
表1
Figure GDA0002299801190000051
表2
Figure GDA0002299801190000052
表3给出了电机占空比与输出拉力的拟合性能，表4给出了电机占空比与输出推力的拟合性能。
表3
Figure GDA0002299801190000062
表4
Figure GDA0002299801190000063
参见图6，图6是本发明实施例中坐标变换示意图，包括：世界坐标系601及水下机器人坐标系602，两者间的转化公式为：
Figure GDA0002299801190000064
其中，x1及y1为水下机器人坐标系602，x及y为世界坐标系601，x’及y’为旋转后的水下机器人坐标系，P(x，y)为点P在世界坐标系601中的坐标，xp及yp为点P在旋转后的水下机器人坐标系中的坐标，T(a，b)为水下机器人坐标系602的原点在世界坐标系601中的坐标，θ为旋转角。
参见图7，图7是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种水下机器人姿态控制设备701、处理器702及存储设备703。
水下机器人姿态控制设备701：所述一种水下机器人姿态控制设备701实现所述一种水下机器人姿态控制方法。
处理器702：所述处理器702加载并执行所述存储设备703中的指令及数据用于实现所述的一种水下机器人姿态控制方法。
存储设备703：所述存储设备703存储指令及数据；所述存储设备703用于实现所述的一种水下机器人姿态控制方法。
通过执行本发明的实施例，本发明权利要求里的所有技术特征都得到了详尽阐述。
区别于现有技术，本发明的实施例提供了一种水下机器人姿态控制方法、设备及存储设备，通过解耦式布局水下机器人电机获得水下机器人各个轴的解耦控制方式，然后通过回归拟合方式得到电机模型，再通过设定好的各种传递函数确定各部位输入输出关系，最后通过坐标变换将世界坐标系与机器人坐标系建立关系，从而在水下机器人受到扰动的情况下可以高效实时地对其姿态进行控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水下机器人姿态控制方法，所述方法由硬件设备实现，其特征在于：包括以下步骤：建立水下机器人的坐标系；以所述坐标系建立水下机器人电机布局方式；建立水下机器人的控制系统模型；设定所述控制系统模型中的传递函数及电机模型；进行坐标变换，建立世界坐标系和水下机器人坐标系的联系；完成水下机器人的姿态控制；所述电机模型具体为：直流电机占空比-输出拉力模型及直流电机占空比-输出推力模型；所述电机模型采用回归拟合方式得到，基本公式为：
Figure FDA0002299801180000011
其中，A,B及C为拟合参数。
2.如权利要求1所述的一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：所述水下机器人坐标系包括：移动坐标系，具体为：为x轴、y轴和z轴；旋转坐标系，具体为：l轴、m轴和n轴。
3.如权利要求2所述的一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：以所述坐标系建立水下机器人电机布局方式具体为：所述电机具体数量为8台电机，记为：M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7及M8；所述8台电机的功能具体为：M1及M4用于控制l轴的稳定，M2及M3用于控制m轴的稳定，M5及M6用于控制n轴的稳定，M7及M8用于控制x轴的稳定，M5及M6用于控制y轴的稳定，M1、M2、M3及M4用于控制z轴的稳定；上述电机布局不存在耦合关系，故所述x轴、y轴、z轴、l轴、m轴及n轴的稳定性为分开控制。
4.如权利要求1所述的一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：所述水下机器人的控制系统模型包括：控制器、电机、水下机器人本体、运动干扰及测量误差。
5.如权利要求4所述的一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：所述传递函数包括：水下机器人姿态控制传递函数及控制器传递函数；所述水下机器人姿态控制传递函数为：
Figure FDA0002299801180000021
其中，θ为水下机器人的姿态角，T为水下机器人受到的外力矩，I为水下机器人对于某一旋转轴的转动惯量，k为水下机器人在水中执行转动运动的阻尼系数；所述控制器传递函数为：
Figure FDA0002299801180000022
时域输出表达式为：
Figure FDA0002299801180000023
其中，Kp为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。
6.如权利要求1所述的一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：所述直流电机占空比-输出拉力模型经过拟合具体为：
Figure FDA0002299801180000024
所述直流电机占空比-输出推力模型具体为：
Figure FDA0002299801180000025
7.如权利要求1所述的一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：所述进行坐标变换，建立世界坐标系和水下机器人坐标系的联系具体为：
Figure FDA0002299801180000026
其中，xp及yp为机器人坐标系，x及y为世界坐标系，(a，b)为机器人坐标系原点在世界坐标系中的坐标，θ为旋转角。
8.存储设备，其特征包括：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～7所述的任意一种方法。
9.一种水下机器人姿态控制设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行权利要求8中所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～7所述的任意一种方法。
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