CN108327874A - 一种多功能水下航行器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能水下航行器，包括水下航行器本体和控制平台，水下航行器本体包括主体，主体上设置有电源、带载平台、MCU、通信模块、陀螺仪、加速度计和若干电机带动的旋翼，带载平台上设置有若干作业设备，通信模块、陀螺仪、加速度计以及作业设备均与MCU连接，电机通过电调连接MCU，电源为各模块供电，通信模块与控制平台通信。同时也公开了该水下航行器的控制方法。本发明的水下航行器设置有带载平台，可承载多种设备；同时在控制中加入抗干扰前馈控制算法，可消除设备对水下航行器平衡造成的影响，满足多功能的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能水下航行器及其控制方法，属于水下无人机技术领域。
背景技术
对人类而言，海洋与人类生活息息相关，紧密相连。海洋蕴含着丰富的生物、矿物、可再生能源及空间资源，其给我们的生活带来的价值更是无法估量的，由此可见海洋对我们人类的生活有着极其重要的作用。
目前已有的水下航行器多以拍摄为主，功能比较单一；同时由于拍摄装置对水下航行器运动不会造成干扰，其控制方法主要采用PID控制。现有的水下航行器及其控制方法已不能满足越来越复杂的水下作业。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多功能水下航行器及其控制方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种多功能水下航行器，包括水下航行器本体和控制平台，水下航行器本体包括主体，主体上设置有电源、带载平台、MCU、通信模块、陀螺仪、加速度计和若干电机带动的旋翼，带载平台上设置有若干作业设备，通信模块、陀螺仪、加速度计以及作业设备均与MCU连接，电机通过电调连接MCU，电源为各模块供电，通信模块与控制平台通信。
主体的顶部中心处设置有竖直的走线管，走线管内设置有通信导线，通信导线的两端分别连接通信模块和控制平台。
带载平台设置在主体的底部。
作业设备包括无运动能力设备和有运动能力设备；
无运动能力设备：无论设备是否工作，该设备均相对于带载平台不运动，且不会对水下航行器本体运动造成干扰；
有运动能力设备：该设备不工作时，相对于带载平台不运动，且不会对水下航行器本体运动造成干扰；该设备工作时，相对于带载平台运动，且对水下航行器本体运动造成干扰。
一种多功能水下航行器的控制方法，包括，
通过控制平台设置抗干扰前馈控制算法的参数以及PID控制算法的参数，其中抗干扰前馈控制用以消除有运动能力设备工作对水下航行器本体运动造成干扰；
当无运动能力设备工作、无运动能力设备不工作以及有运动能力设备工作时，MCU通过PID控制算法控制电机，即将PID控制算法的输出作为电机的输入控制信号；
当有运动能力设备工作时，将抗干扰前馈控制算法的输出与PID控制算法的输出相加，得到的相加值作为电机的输入控制信号。
在MCU中分别对俯仰角、翻滚角和偏航角建立PID控制算法，
PID控制算法的公式为，
其中，u(k)为k时刻PID控制算法的输出，Kp、Ki和Kd均为参数，e(k)为k时刻实际角度与预期角度的差值，e(k-1)为k-1时刻实际角度与预期角度的差值。
MCU接收陀螺仪和加速度计采集的数据，利用四元数姿态解算，获得俯仰角、翻滚角和偏航角。
抗干扰前馈控制算法的公式为，
Gff(s)＝-K*GPD(s)/Gpc(s)
其中，Gff(s)为抗干扰前馈控制算法的输出，K为参数，GPD(s)为有运动能力设备对水下航行器本体的干扰传递函数，Gpc(s)为电机输入信号与电机输出转矩的传递函数。
确定K的具体过程为，
一种有运动能力设备对水下航行器本体的干扰是一定的，也就是说用以抵消的抗干扰前馈控制算法输出Gff(s)也是一定的，在初始时，启动有运动能力设备，不启动PID控制，给定K一个初始值，若K值不恰当时，水下航行器本体按一定方向翻转，调整K值，直至水下航行器本体平稳，此时的K值即为最终的值。
本发明所达到的有益效果：本发明的水下航行器设置有带载平台，可承载多种设备；同时在控制中加入抗干扰前馈控制算法，可消除设备对水下航行器平衡造成的影响，满足多功能的需求。
附图说明
图1为本发明设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种多功能水下航行器，包括水下航行器本体和控制平台5。水下航行器本体包括主体，主体上设置有电源、带载平台、MCU、通信模块、陀螺仪、加速度计和若干电机6带动的旋翼7，带载平台设置在主体的底部，带载平台上设置有若干作业设备，通信模块、陀螺仪、加速度计以及作业设备均与MCU连接，电机6通过电调8连接MCU，电源为各模块供电，通信模块与控制平台5通信，主体的顶部中心处设置有竖直的走线管3，走线管3内设置有通信导线，通信导线的两端分别连接通信模块和控制平台5。
和现有的水下航行器类似，旋翼7可设置四个，两两对称，电机6和电调8也设置四个，电调8采用千水星公司HW30A电调8，电机6采用格氏航模公司的无刷电机62450KV。电源采用RYDBATT公司的7.4V锂电池。MCU采用意法半导体集团stm32f103c8t6型号单片机。加速度计、陀螺仪采用InvenSense公司的MPU6050，其内部含有整合性6轴运动处理组件，同时具有加速度计、陀螺仪的功能。通信模块采用汇承公司的HC-08蓝牙模块，主要功能是信息传输，即为将MCU发送的信息发送至控制平台5，并且接收控制平台5指令发送至MCU，通信方式为串行口通信，通信中的数据格式采用“功能码+数据”，包含以下几种形式：01功能码代表所传数据为水下航行器的俯仰角、翻滚角、偏航角；02功能码代表所传数据为电池电量；03功能码代表所传数据为PID控制算法参数；04功能码代表所传数据为抗干扰前馈控制算法参数；05功能码代表所传数据为开始/停止水下航行工作；06功能码代表所传数据为开始/停止作业设备；07功能码代表所传数据功能为控制水下航行器运动；08功能码代表所传数据为控制作业设备，根据作业设备不同，功能码后跟随的数据格式不同。
为了尽可能轻便，这里的主体包括上平板1，设置在上平板1四侧的支架4，电源、MCU、通信模块、陀螺仪以及加速度计固定在上平板1上，电机6设在支架4的自由端，电机6的端部安装旋翼7，电调8可放置在支架4上。
带载平台包括下平板2，下平板2四角通过连接柱固定在主体底部，作业设备直接可拆卸式固定在下平板2上。
作业设备包括无运动能力设备和有运动能力设备。无运动能力设备：无论设备是否工作，该设备均相对于带载平台不运动，且不会对水下航行器本体运动造成干扰；如摄像机就是无运动能力设备。有运动能力设备：该设备不工作时，相对于带载平台不运动，且不会对水下航行器本体运动造成干扰；该设备工作时，相对于带载平台运动，且对水下航行器本体运动造成干扰；如机械臂就是有运动能力设备。
控制平台5为一遥控器，能接收并显示水下航行器和作业设备的运动信息，根据运动信息进行控制，也能输入MCU内部算法所需的参数。
上述水下航行器的工作状态分为三种，包括：水平运动、垂直运动、悬停。水平运动原理为：以水下航行器中心为原点，朝向目标方向的电机6转速下降，与此电机6关于中心对称的另一个电机6转速上升，同时保持其它两个电机6转速不变，水下航行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼7拉力产生水平分量，实现水下航行器的水平运动。垂直运动的原理为：水下航行器密度小于水，若电机6不工作，则会依靠自身浮力浮至水面；当同时增加四个电机6的输出功率，旋翼7转速增加使得总的压力增大，当总压力与重力之和大于水下航行器所受到的浮力时，水下航行器便在水中垂直下降；反之，同时减小四个电机6的输出功率，当总压力与重力之和小于水下航行器所受到的浮力时，则垂直上升。悬停的原理为：在总压力与重力之和等于水下航行器所受到的浮力时，则悬停。
上述水下航行器的控制方法，具体如下：
1)通过控制平台5设置抗干扰前馈控制算法的参数以及PID控制算法的参数，其中抗干扰前馈控制用以消除有运动能力设备工作对水下航行器本体运动造成干扰。
抗干扰前馈控制算法的公式为：
Gff(s)＝-K*GPD(s)/Gpc(s)
其中，Gff(s)为抗干扰前馈控制算法的输出，K为参数，GPD(s)为有运动能力设备对水下航行器本体的干扰传递函数，Gpc(s)为电机6输入信号与电机6输出转矩的传递函数。
确定K的具体过程为：
一种有运动能力设备对水下航行器本体的干扰是一定的，也就是说用以抵消的抗干扰前馈控制算法输出Gff(s)也是一定的，在初始时，启动有运动能力设备，不启动PID控制，给定K一个初始值，若K值不恰当时，水下航行器本体按一定方向翻转，调整K值，直至水下航行器本体平稳，此时的K值即为最终的值。
2)当无运动能力设备工作、无运动能力设备不工作以及有运动能力设备工作时，MCU通过PID控制算法控制电机6，即将PID控制算法的输出作为电机6的输入控制信号。
MCU接收陀螺仪和加速度计采集的数据，利用四元数姿态解算，获得俯仰角、翻滚角和偏航角，分别对俯仰角、翻滚角和偏航角建立PID控制算法。
PID控制算法的公式为：
其中，u(k)为k时刻PID控制算法的输出，Kp、Ki和Kd均为参数，e(k)为k时刻实际角度与预期角度的差值，e(k-1)为k-1时刻实际角度与预期角度的差值。
3)当有运动能力设备工作时，将抗干扰前馈控制算法的输出与PID控制算法的输出相加，即Gff(s)+u(k)，得到的相加值作为电机6的输入控制信号。
本发明的水下航行器设置有带载平台，可承载多种设备；同时在控制中加入抗干扰前馈控制算法，可消除设备对水下航行器平衡造成的影响，满足多功能的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种多功能水下航行器，其特征在于：包括水下航行器本体和控制平台，水下航行器本体包括主体，主体上设置有电源、带载平台、MCU、通信模块、陀螺仪、加速度计和若干电机带动的旋翼，带载平台上设置有若干作业设备，通信模块、陀螺仪、加速度计以及作业设备均与MCU连接，电机通过电调连接MCU，电源为各模块供电，通信模块与控制平台通信。
2.根据权利要求1所述的一种多功能水下航行器，其特征在于：主体的顶部中心处设置有竖直的走线管，走线管内设置有通信导线，通信导线的两端分别连接通信模块和控制平台。
3.根据权利要求1所述的一种多功能水下航行器，其特征在于：带载平台设置在主体的底部。
4.根据权利要求1所述的一种多功能水下航行器，其特征在于：作业设备包括无运动能力设备和有运动能力设备；
无运动能力设备：无论设备是否工作，该设备均相对于带载平台不运动，且不会对水下航行器本体运动造成干扰；
有运动能力设备：该设备不工作时，相对于带载平台不运动，且不会对水下航行器本体运动造成干扰；该设备工作时，相对于带载平台运动，且对水下航行器本体运动造成干扰。
5.一种多功能水下航行器的控制方法，其特征在于：包括，
通过控制平台设置抗干扰前馈控制算法的参数以及PID控制算法的参数，其中抗干扰前馈控制用以消除有运动能力设备工作对水下航行器本体运动造成干扰；
当无运动能力设备工作、无运动能力设备不工作以及有运动能力设备工作时，MCU通过PID控制算法控制电机，即将PID控制算法的输出作为电机的输入控制信号；
当有运动能力设备工作时，将抗干扰前馈控制算法的输出与PID控制算法的输出相加，得到的相加值作为电机的输入控制信号。
6.根据权利要求5所述的一种多功能水下航行器的控制方法，其特征在于：在MCU中分别对俯仰角、翻滚角和偏航角建立PID控制算法，
PID控制算法的公式为，
其中，u(k)为k时刻PID控制算法的输出，Kp、Ki和Kd均为参数，e(k)为k时刻实际角度与预期角度的差值，e(k-1)为k-1时刻实际角度与预期角度的差值。
7.根据权利要求6所述的一种多功能水下航行器的控制方法，其特征在于：MCU接收陀螺仪和加速度计采集的数据，利用四元数姿态解算，获得俯仰角、翻滚角和偏航角。
8.根据权利要求5所述的一种多功能水下航行器的控制方法，其特征在于：抗干扰前馈控制算法的公式为，
Gff(s)＝-K*GPD(s)/Gpc(s)
其中，Gff(s)为抗干扰前馈控制算法的输出，K为参数，GPD(s)为有运动能力设备对水下航行器本体的干扰传递函数，Gpc(s)为电机输入信号与电机输出转矩的传递函数。
9.根据权利要求8所述的一种多功能水下航行器的控制方法，其特征在于：确定K的具体过程为，
一种有运动能力设备对水下航行器本体的干扰是一定的，也就是说用以抵消的抗干扰前馈控制算法输出Gff(s)也是一定的，在初始时，启动有运动能力设备，不启动PID控制，给定K一个初始值，若K值不恰当时，水下航行器本体按一定方向翻转，调整K值，直至水下航行器本体平稳，此时的K值即为最终的值。
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