CN108563234A - 一种水下无人机自平衡控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请属于水下探测机器人技术领域，特别涉及一种水下无人机自平衡控制方法及系统。本申请的水下无人机自平衡控制方法包括：步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法及系统可以非常平稳和快速的完成水下无人机在5个自由度上的闭环运动控制，控制系统耦合度高、控制算法易于实现、控制策略简单高效。

Description

一种水下无人机自平衡控制方法及系统
技术领域
本申请属于水下探测机器人技术领域，特别涉及一种水下无人机自平衡控制方法及系统。
背景技术
PID运动控制技术和算法是一种基于反馈的概念以减少不确定性的控制方法与策略，它是目前在工程实际中应用最为广泛的控制调节器。PID控制器(比例－积分－微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制，积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。目前水下机器人运动控制中，多数采用普通PID或PI控制器，且一般主要针对单自由度方向上的闭环控制，其中包括定深PID控制器，负责稳定保持在特定深度上的闭环控制策略；定向PID控制器，负责水下无人机保持特定航向航行的闭环控制策略；姿态稳定PID控制器则负责维持水下无人机机器姿态平稳的闭环控制。
在目前的水下无人机闭环控制策略中，定深、定向和姿态稳定PID控制器都是单独功能的控制策略，一般情况下各个PID控制器单独工作，根据具体需求启用1到2个PID控制器，因此很难完成完全的机体自平衡悬浮控制；同时单独控制器所控制的并不是所有的推进器，可能是其中部分的推进器，在结合终端设备给出的对其他推进器的控制信号时，PID的闭环控制效果可能并不明显和有效。
发明内容
本申请提供了一种水下无人机自平衡控制方法及系统，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：
一种水下无人机自平衡控制方法，包括以下步骤：
步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；
步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；
步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；
步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，设置6个可正反转螺旋桨推进器，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。
本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述步骤d还包括：建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，具体为：所述定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID默认共同启动和工作，通过运行状态中的子PID控制器反馈输出的合力始终要与操控终端指令要求的力合并，成为最终的水下无人机刚体运动所需合力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述步骤d还包括：对每个推力做饱和限制，不能超过极限。
本申请实施例采取的又一技术方案为：一种水下无人机自平衡控制系统，包括：可正反转螺旋桨推进器、运动自由度控制模块、子PID控制器和推力分配矩阵计算模块，所述可正反转螺旋桨推进器用于提供推力，驱动水下无人机；所述运动自由度控制模块用于将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；所述子PID控制器与每个运动自由度相对应；所述推力分配矩阵计算模块用于计算可正反转螺旋桨推进器需要的推力。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述可正反转螺旋桨推进器为6个，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力；所述运动自由度控制模块将6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述的水下无人机自平衡控制系统还包括：推力饱和限制模块，用于对每个推力做饱和限制，不能超过极限；所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID，子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。
相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法及系统通过六推水下无人机专用的姿态自平衡闭环运动控制器进行水下无人机的控制，易于编程实现并方便调试修改，可通过水面控制终端的软件中实现该PID控制器的应用，且对水下无人机的硬件系统不造成过多的负担和过高的要求；本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法及系统可以非常平稳和快速的完成水下无人机在5个自由度上的闭环运动控制，控制系统耦合度高、控制算法易于实现、控制策略简单高效。
附图说明
图1是本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法的流程图；
图2是本申请实施例的水下无人机推力分布和5自由度运动显示图；
图3是本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，是本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法的流程图。本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法包括以下步骤：
步骤100：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；
在步骤100中，本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法对水下无人机设置6个可正反转螺旋桨推进器，在力学模型中代表6个外力可对本体进行作用，其中，4个为完全垂直于本体平面的垂直推力，2个为完全平行于本体平面的水平推力。通过力学模型简化过程，可以将其简化为受6个外力作用的刚体结构。请一并参阅图2，图2为水下无人机推力分布和5自由度运动显示图。在图2中，4个垂直推力能够使水下无人机可进行升沉(沿Z轴)、纵倾(绕Y轴旋转)和横摇(绕X轴旋转)这三个自由度上的运动；2个水平推力使得水下无人机可进行平移(沿X轴)和转艏(绕Z轴)这两个自由度上的运动。
步骤200：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；
在本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法中，水下无人机所受的六推作用力转化为在5个自由度方向上的控制模型，6个推进器的推力最终将转化为5个自由度上的合力。水下无人机的控制模型跟最初的力学模型之间存在转换关系，通过控制矩阵B将六推力学模型转换为5自由度控制模型：
由于5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，5个运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度，每个运动控制量参数分别与每个运动自由度单独相关，因此这样的5自由度运动控制模型非常便于后续模型的PID控制器设计。根据水下无人机工程需求和可实施性原则，对PID闭环自动反馈控制的设计也遵循实用性原则。
步骤300：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；
在本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法中，水下无人机可完成5自由度运动，对应每个自由度设计一个子PID控制器，避免建立过于复杂的需要考虑多个自由度的PID控制器。对应的子PID控制器包括：定位PID(或称为顶流PID)：PID A，九轴传感器中的轴向加速度a_x积分为位移量，通过前后位移量变化ΔX反馈控制X轴方向的合力F_x。该PID控制器的反馈参数ΔX不容易准确获取，可以在需要加入悬停功能时考虑；定深PID：PID H，基于深度传感器深度信号，通过深度变化量ΔH反馈控制Z轴方向(深度)的合力F_z，PID H是常用且必需的控制器；定向PID：PID Z，基于磁罗经测得航向角，通过航向角变化量Δα反馈控制绕Z轴的力矩N_z，PID Z为常用PID控制器；横摇稳定PID：PID X，基于九轴传感器的横摇角，通过横摇角度变化量Δβ反馈控制绕X轴的力矩N_x；纵倾稳定PID：PID Y，基于九轴传感器的纵倾角，通过纵倾角度变化量Δγ反馈控制绕Y轴的力矩N_y。
一般的PID控制器，包括比例参数K_p，积分参数K_i和微分参数K_d。针对本申请实施例的PID控制器设计，反馈信号一般为深度、航向角、角度等位移量，而控制的5个自由度的合力都是跟线加速度、角加速度等成线性关系，因此起关键作用的为比例参数K_p，积分参数K_i，PID控制器的结构设计也主要以P I为主，微分参数K_d起到的作用有限。控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID(当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度)的方法对PID进行控制。
步骤400：建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，通过推力分配矩阵计算至少一个推进器分别需要的推力；
本申请实施例的建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，首先考虑定深PID H、定向PID Z、横摇稳定PID X和纵倾稳定PID Y这4个PID控制器，定位PID A由于反馈参数的不稳定性暂时不以考虑。在水下无人机的“自平衡”模式，以上4个PID控制器默认共同启动和工作。通过运行状态中的PID控制器反馈输出的合力F_z1，N_z1，N_x1，N_y1始终要与操控终端指令要求的力F_x，F_z2，N_z2，N_x2，N_y2合并，成为最终的水下无人机刚体运动所需合力F_x，F_z＝F_z1+F_z2，N_z＝N_z1+N_z2，N_x＝N_x1+N_x2，N_y＝N_y1+N_y2；6个推进器的推力由合并后的力通过推力分配矩阵C分别求解得到。通过推力分配矩阵计算的是6个推进器分别需要的推力，因此本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统是耦合和连续的。
步骤500：对每个推力做饱和限制，不能超过极限。
请参阅图3，是本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统的结构示意图。本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统包括至少一个可正反转螺旋桨推进器、运动自由度控制模块、至少一个子PID控制器、推力分配矩阵计算模块和推力饱和限制模块。在本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统中，设置6个可正反转螺旋桨推进器，在力学模型中代表6个外力可对本体进行作用，其中，4个为完全垂直于本体平面的垂直推力，2个为完全平行于本体平面的水平推力。通过力学模型简化过程，可以将其简化为受6个外力作用的刚体结构。请一并参阅图2，图2为水下无人机推力分布和5自由度运动显示图。在图2中，4个垂直推力能够使水下无人机可进行升沉(沿Z轴)、纵倾(绕Y轴旋转)和横摇(绕X轴旋转)这三个自由度上的运动；2个水平推力使得水下无人机可进行平移(沿X轴)和转艏(绕Z轴)这两个自由度上的运动。运动自由度控制模块将水下无人机所受的作用力转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数。在本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统中，水下无人机所受的六推作用力转化为在5个自由度方向上的控制模型，6个推进器的推力最终将转化为5个自由度上的合力。水下无人机的控制模型跟最初的力学模型之间存在转换关系，通过控制矩阵B将六推力学模型转换为5自由度控制模型：
由于5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，5个运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度，每个运动控制量参数分别与每个运动自由度单独相关，因此这样的5自由度运动控制模型非常便于后续模型的PID控制器设计。根据水下无人机工程需求和可实施性原则，对PID闭环自动反馈控制的设计也遵循实用性原则。子PID控制器用于完成各个方向上的自由度运动，对应的子PID控制器包括：定位PID(或称为顶流PID)：PID A，九轴传感器中的轴向加速度a_x积分为位移量，通过前后位移量变化ΔX反馈控制X轴方向的合力F_x。该PID控制器的反馈参数ΔX不容易准确获取，可以在需要加入悬停功能时考虑；定深PID：PID H，基于深度传感器深度信号，通过深度变化量ΔH反馈控制Z轴方向(深度)的合力F_z。PID H是常用且必需的控制器；定向PID：PID Z，基于磁罗经测得航向角，通过航向角变化量Δα反馈控制绕Z轴的力矩N_z。PID Z为常用PID控制器；横摇稳定PID：PD X，基于九轴传感器的横摇角，通过横摇角度变化量Δβ反馈控制绕X轴的力矩N_x；纵倾稳定PID：PID Y，基于九轴传感器的纵倾角，通过纵倾角度变化量Δγ反馈控制绕Y轴的力矩N_y。一般的PID控制器，包括比例参数K_p，积分参数K_i和微分参数K_d。针对本申请实施例的PID控制器设计，反馈信号一般为深度、航向角、角度等位移量，而控制的5个自由度的合力都是跟线加速度、角加速度等成线性关系，因此起关键作用的为比例参数K_p，积分参数K_i，PID控制器的结构设计也主要以P I为主，微分参数K_d起到的作用有限。控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID(当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度)的方法对PID进行控制。推力分配矩阵计算模块用于建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，计算至少一个推进器分别需要的推力。本申请实施例的PID控制系统，首先考虑定深PID H、定向PID Z、横摇稳定PID X和纵倾稳定PID Y这4个PID控制器，定位PID A由于反馈参数的不稳定性暂时不以考虑。在水下无人机的“自平衡”模式，以上4个PID控制器默认共同启动和工作。通过运行状态中的PID控制器反馈输出的合力F_z1，N_z1，N_x1，N_y1始终要与操控终端指令要求的力F_x，F_z2，N_z2，N_x2，N_y2合并，成为最终的水下无人机刚体运动所需合力F_x，F_z＝F_z1+F_z2，N_z＝N_z1+N_z2，N_x＝N_x1+N_x2，N_y＝N_y1+N_y2；6个推进器的推力由合并后的力通过推力分配矩阵C分别求解得到。通过推力分配矩阵计算的是6个推进器分别需要的推力，因此本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统是耦合和连续的。推力饱和限制模块用于对每个推力做饱和限制，不能超过极限。
本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法和系统通过六推水下无人机专用的姿态自平衡闭环运动控制器进行水下无人机的控制，易于编程实现并方便调试修改，可通过水面控制终端的软件中实现该PID控制器的应用，且对水下无人机的硬件系统不造成过多的负担和过高的要求；本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法和系统可以非常平稳和快速的完成水下无人机在5个自由度上的闭环运动控制，控制系统耦合度高、控制算法易于实现、控制策略简单高效。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；
步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；
步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；
步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。
2.根据权利要求1所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤a中，设置6个可正反转螺旋桨推进器，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力。
3.根据权利要求2所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。
4.根据权利要求3所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID。
5.根据权利要求4所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。
6.根据权利要求4或5所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述步骤d还包括：建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，具体为：所述定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID默认共同启动和工作，通过运行状态中的子PID控制器反馈输出的合力始终要与操控终端指令要求的力合并，成为最终的水下无人机刚体运动所需合力。
7.根据权利要求4或5所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述步骤d还包括：对每个推力做饱和限制，不能超过极限。
8.一种水下无人机自平衡控制系统，其特征在于，包括：可正反转螺旋桨推进器、运动自由度控制模块、子PID控制器和推力分配矩阵计算模块，所述可正反转螺旋桨推进器用于提供推力，驱动水下无人机；所述运动自由度控制模块用于将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；所述子PID控制器与每个运动自由度相对应；所述推力分配矩阵计算模块用于计算可正反转螺旋桨推进器需要的推力。
9.根据权利要求8所述的水下无人机自平衡控制系统，其特征在于，所述可正反转螺旋桨推进器为6个，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力；所述运动自由度控制模块将6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。
10.根据权利要求9所述的水下无人机自平衡控制系统，其特征在于，还包括：推力饱和限制模块，用于对每个推力做饱和限制，不能超过极限；所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID，子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。
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