CN108594716A - 一种浅水级超小型rov控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种浅水级超小型ROV控制系统及控制方法，用于对浅水级机器人的控制，所述控制系统包括水上系统和水下系统；所述水下系统设于水下机器人处；所述水上系统与水下系统之间以可传输能量及数据的缆线相连并组为局域网；所述水上系统包括设置有控制界面的电脑；水上系统通过控制界面向水下系统发送控制指令；所述水下系统包括微控制器和与微控制器相连的电源模块、传感器模块、云台模块、动力模块；所述微控制器包括模糊控制器、PID控制器和卡尔曼滤波器；所述模糊控制器内置模糊规则库且与PID控制器相连；本发明提供了更高精度、更稳定的运动控制方法，而且具备更高的抗干扰性。

Description

一种浅水级超小型ROV控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是一种浅水级超小型ROV控制系统及控制方法。

背景技术

海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的要道。占地球表面积 71％的海洋是一个富饶却远未充分开发的宝库，世界各国正在寻求各种可能的途径，开阔新的领域以求增加能源和资源。人类探索海洋步伐从未停止，海洋的开发和利用已经成为各国的重要战略目标。由于海洋环境的复杂和多变性，人类在认识和开发海洋的过程中需要各种高技术手段，水下机器人技术是探索内空间的最重要手段之一。

现在人类所开发水下作业的水下机器人按使用方式主要分为载人潜水机器人和无人水下机器人两类。由于载人探测机器人具有极大的危险性，所以将人的安全保障放在首位，相应体积和重量都很大，必须配备复杂的运载、布放和救生系统，其使用受到很大的限制。

而用于浅水水域的水下机器人系统不同于用于深海的机器人，一般都具有体积小、重量轻的特点。这种小型的或者超小型水下机器人小巧灵活，便于布放和使用， 而AUV虽然没有缆线具有较小阻力和很好的水力动力性能，但是还有一些关键技术问题尚待解决，如何提高其安全可靠性、通讯能力和持久力尤其是不丢失是面临的重大问题，也是目前研究热点。所以具有良好的人机交互控制性能、实时探测和处理能力强的 ROV 仍将是浅水水域水下机器人应用的主流。

在ROV的运动控制方面有两个主要的研究方向: 运动控制系统的基本回路和航行控制的闭环控制算法。目前已采用过的、主要的控制方法有 PID 控制、变结构滑模控制、模糊控制和自适应控制和人工神经网络控制。

结合现在所研制的水下机器人，及流体力学知识和刚体动力学分析方法建立多自由度水下机器人运动数学模型，对模型中的水动力系数进行确定。

发明内容

本发明提出一种浅水级超小型ROV控制系统及控制方法，提供了更高精度、更稳定的运动控制方法，而且具备更高的抗干扰性。

本发明采用以下技术方案。

一种浅水级超小型ROV控制系统，用于对浅水级机器人的控制，所述控制系统包括水上系统和水下系统；所述水下系统设于水下机器人处；所述水上系统与水下系统之间以可传输能量及数据的缆线相连并组为局域网；所述水上系统包括设置有控制界面的电脑；水上系统通过控制界面向水下系统发送控制指令；所述水下系统包括微控制器和与微控制器相连的电源模块、传感器模块、云台模块、动力模块；所述微控制器包括模糊控制器、PID控制器和卡尔曼滤波器；所述模糊控制器内置模糊规则库且与PID控制器相连。

所述传感器模块包括深度计，水平仪，陀螺仪，温湿度计。

所述云台模块包括高清摄像机、LED照明灯和舵机。

所述动力模块包括直流无刷外转子电机和带三叶螺旋桨的推进器。

所述水上系统的电脑以USB线和网线与缆线相连接，所述控制界面为局域网网页形态。

所述缆线为双股缆线；所述微控制器包括TM32F103及Arduino组合的控制核心单片机；所述电源模块包括可充电锂电池。

所述控制方法采用上述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其控制方法包括以下步骤；

A1、水下系统微控制器在接收水上系统发送的控制指令后，根据传感器模块采样获取的水下机器人状态，把控制指令转换为PID控制器可用的的Kp,、Ki、,Kd参数；把Kp,、Ki、,Kd送至模糊控制器

A2、所述模糊控制器根据当前水下机器人状态，在模糊规则库中找出与该状态所对应的控制误差e、误差变化量ec和模糊规则表，然后模糊控制器根据控制误差e、误差变化量ec和模糊规则表对Kp,、Ki、,Kd进行模糊调整；

A3、模糊控制器把经过模糊调整的Kp,、Ki、,Kd送至PID控制器，PID控制器根据模糊控制器送来的Kp,、Ki、,Kd对水下机器人进行控制；

A4、模糊控制器把经过模糊调整的Kp,、Ki、,Kd送至卡尔曼滤波器，由卡尔曼滤波器向水上系统反馈控制指令的响应结果。

本发明中，控制方法采为模糊PID控制方法，目前PID控制方法已经相对成熟，在工业中已经得到广泛的应用使用。但是 PID 控制算法进行控制需要得到对象的精确数学模型，而由于水文的复杂性，水下机器人精确的数学模型是很难获得的，因此基于模型的 PID控制不适宜在水下机器人上实现，所以本发明在控制方案中加入模糊控制器，来自适应调节PID的控制参数，提高控制系统的鲁棒性；本发明还在模糊PID算法控制的同时，加入卡尔曼滤波算法，这样可以提高系统的抗干扰抗噪音能力。

本发明以STM32F103加Arduino单片机组成嵌入式控制系统（微控制器），简单稳定，能够实现较高精度的运动控制，性价比高。

本发明中，可采用PC端直接作为上位机，建立水上与水下之间局域网，连接简单，操作灵活性高，还可在PC端外接游戏柄，操作者用户体验性好。

本发明适用于超小型浅水级ROV，系统小巧，性价比高，经济性和实用性好；PC端建立局域网的操控界面，操作灵活性和用户体验性良好。模糊PID控制算法同时加入卡尔曼滤波，让运动控制更加稳定和精确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的系统示意图；

附图2是控制方法的示意图；

附图3是模糊控制器对Kp,、Ki、,Kd进行模糊处理的示意图；

附图4是模糊控制器的模糊规则库示意图；

附图5为误差e隶属函数示意图；

附图6为误差ec隶属函数示意图；

附图7为模糊规则表的示意图；

图中：1-水上系统；2-缆线；3-电源模块；4-微控制器；5-传感器模块；6-云台模块；7-动力模块。

具体实施方式

如图1-7所示，一种浅水级超小型ROV控制系统，用于对浅水级机器人的控制，所述控制系统包括水上系统1和水下系统；所述水下系统设于水下机器人处；所述水上系统1与水下系统之间以可传输能量及数据的缆线2相连并组为局域网；所述水上系统1包括设置有控制界面的电脑；水上系统通过控制界面向水下系统发送控制指令；所述水下系统包括微控制器4和与微控制器4相连的电源模块3、传感器模块5、云台模块6、动力模块7；所述微控制器4包括模糊控制器、PID控制器和卡尔曼滤波器；所述模糊控制器内置模糊规则库且与PID控制器相连。

所述传感器模块包括深度计，水平仪，陀螺仪，温湿度计。

所述云台模块包括高清摄像机、LED照明灯和舵机。

所述动力模块包括直流无刷外转子电机和带三叶螺旋桨的推进器。

所述水上系统的电脑以USB线和网线与缆线相连接，所述控制界面为局域网网页形态。

所述缆线为双股缆线；所述微控制器包括TM32F103及Arduino组合的控制核心单片机；所述电源模块包括可充电锂电池。

所述控制方法采用上述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其控制方法包括以下步骤；

A1、水下系统微控制器在接收水上系统发送的控制指令后，根据传感器模块采样获取的水下机器人状态，把控制指令转换为PID控制器可用的的Kp,、Ki、,Kd参数；把Kp,、Ki、,Kd送至模糊控制器

A2、所述模糊控制器根据当前水下机器人状态，在模糊规则库中找出与该状态所对应的控制误差e、误差变化量ec和模糊规则表，然后模糊控制器根据控制误差e、误差变化量ec和模糊规则表对Kp,、Ki、,Kd进行模糊调整；

A3、模糊控制器把经过模糊调整的Kp,、Ki、,Kd送至PID控制器，PID控制器根据模糊控制器送来的Kp,、Ki、,Kd对水下机器人进行控制；

A4、模糊控制器把经过模糊调整的Kp,、Ki、,Kd送至卡尔曼滤波器，由卡尔曼滤波器向水上系统反馈控制指令的响应结果。

Claims (7)

1.一种浅水级超小型ROV控制系统，用于对浅水级机器人的控制，其特征在于：所述控制系统包括水上系统和水下系统；所述水下系统设于水下机器人处；所述水上系统与水下系统之间以可传输能量及数据的缆线相连并组为局域网；所述水上系统包括设置有控制界面的电脑；水上系统通过控制界面向水下系统发送控制指令；所述水下系统包括微控制器和与微控制器相连的电源模块、传感器模块、云台模块、动力模块；所述微控制器包括模糊控制器、PID控制器和卡尔曼滤波器；所述模糊控制器内置模糊规则库且与PID控制器相连。

2.根据权利要求1所述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其特征在于：所述传感器模块包括深度计，水平仪，陀螺仪，温湿度计。

3.根据权利要求1所述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其特征在于：所述云台模块包括高清摄像机、LED照明灯和舵机。

4.根据权利要求1所述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其特征在于：所述动力模块包括直流无刷外转子电机和带三叶螺旋桨的推进器。

5.根据权利要求1所述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其特征在于：所述水上系统的电脑以USB线和网线与缆线相连接，所述控制界面为局域网网页形态。

6.根据权利要求1所述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其特征在于：所述缆线为双股缆线；所述微控制器包括TM32F103及Arduino组合的控制核心单片机；所述电源模块包括可充电锂电池。

7. 一种浅水级超小型ROV控制方法，其特征在于：所述控制方法采用如权利要求2所述的一种浅水级超小型ROV控制系统，其控制方法包括以下步骤；

A1、水下系统微控制器在接收水上系统发送的控制指令后，根据传感器模块采样获取的水下机器人状态，把控制指令转换为PID控制器可用的的Kp,、Ki、,Kd参数；把Kp,、Ki、,Kd送至模糊控制器

A2、所述模糊控制器根据当前水下机器人状态，在模糊规则库中找出与该状态所对应的控制误差e、误差变化量ec和模糊规则表，然后模糊控制器根据控制误差e、误差变化量ec和模糊规则表对Kp,、Ki、,Kd进行模糊调整；

A3、模糊控制器把经过模糊调整的Kp,、Ki、,Kd送至PID控制器，PID控制器根据模糊控制器送来的Kp,、Ki、,Kd对水下机器人进行控制；

A4、模糊控制器把经过模糊调整的Kp,、Ki、,Kd送至卡尔曼滤波器，由卡尔曼滤波器向水上系统反馈控制指令的响应结果。