CN108873925B - 一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下无人机控制技术领域，特别涉及一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法及其装置；本发明实现了水下无人机在保持稳定在的特定俯仰角姿态下，同时结合实时俯仰角的反馈而进行推力调整分配，能够帮助水下无人机在定俯仰角状态下实现非常平稳的航行和运动；从而有效解决了现有技术中水下无人机在有俯仰角状态下的运动不稳定、容易失控的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下无人机控制技术领域，特别涉及一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法及其装置。
背景技术
水下无人机是一种可以进行水下探测、摄影及钓鱼的智能化设备，也被称为水下机器人；主要应用在水下摄影，水产养殖，水下勘察，海钓等多个商用及消费级领域。
在目前的水下无人机运动控制中，由于水下无人机的姿态平衡控制难度较高，目前市面上大部分的水下无人机无法实现定俯仰角控制，在采用没有俯仰角状态下的控制策略，这样会导致水下无人机在有俯仰角状态下的运动不稳定、容易失控，同时还会影响到机体的整体平衡性和控制稳定性。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法，其先启动定俯仰角运动模式，在保持稳定在的特定俯仰角姿态下，同时结合实时俯仰角的反馈而进行推力调整分配，能够帮助水下无人机在定俯仰角状态下实现非常平稳的航行和运动；同时还提供一种水下无人机的定俯仰角运动控制装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、开启定俯仰角运动模式；
步骤S2、根据水下无人机当前飞行姿态，判定水下无人机的俯仰角；
步骤S3、根据水下无人机的俯仰角，将水下无人机当前的各推进器的推进力进行调整分配。
作为本发明的一种改进，在步骤S2中，水下无人机反馈其俯仰状态而确定其的纵倾角，该纵倾角为俯仰角。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，如果该俯仰角为0°，则采用普通推力分配矩阵将水下无人机当前的各推进器的推进力进行转换调整分配。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S3中，如果该俯仰角不为0°，则采用实时推力分配矩阵将水下无人机当前的各推进器的推进力进行转换调整分配。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S3中，如果该俯仰角为0°，水下无人机处于平衡状态，则其坐标定义为O-XYZ坐标系；如果俯仰角不为0°，水下无人机处于定俯仰角状态，则其坐标定义为O-xyz坐标系；O-XYZ坐标系与O-xyz坐标系的夹角的大小等于俯仰角的大小。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S3中，在水下无人机处于平衡状态下，在O-XYZ坐标系内，各方向的推进器的推进力分别为Fx-in、Fz-in和Nz-in。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S3中，在水下无人机处于定俯仰角状态下，在O-xyz坐标系内，各方向的推进器的推进力分别为Fx-in’、Fz-in’和Nz-in’。
一种水下无人机的定俯仰角运动控制装置，其中，包括用于提供动力的推进器、用于控制该推进器运行的定倾PID控制器和用于实时反馈水下无人机的俯仰角的定俯仰角运动控制器；所述定倾PID控制器分别与所述推进器、定俯仰角运动控制器电性连接。
作为本发明的一种改进，所述推进器的数量为6个，其中在水下无人机的左右两侧分别设置有2个推进器，在水下无人机的尾侧设置有2个推进器。
作为本发明的进一步改进，所述定俯仰角运动控制器内设置有用于感应水下无人机的俯仰的感应模块和用于计算水下无人机的俯仰角度的检测模块。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明实现了水下无人机在保持稳定在的特定俯仰角姿态下，同时结合实时俯仰角的反馈而进行推力调整分配，能够帮助水下无人机在定俯仰角状态下实现非常平稳的航行和运动；从而有效解决了现有技术中水下无人机在有俯仰角状态下的运动不稳定、容易失控的问题。
附图说明
图1是本发明中定俯仰角运动控制方法的流程步骤图；
图2是本发明中水下无人机标上坐标系的示意图；
图3是本发明内实施例中水下无人机的标上本体坐标系的示意图；
图4是本发明内实施例中双坐标系的示意图；
图5是本发明内实施例的流程框图；
图6是本发明的定俯仰角运动控制装置的连接结构框图；
图7是本发明的定俯仰角运动控制装置内的定俯仰角运动控制器的内部结构框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、开启定俯仰角运动模式；
步骤S2、根据水下无人机当前飞行姿态，判定水下无人机的俯仰角；
步骤S3、根据水下无人机的俯仰角，将水下无人机当前的各推进器的推进力进行调整分配。
在本发明中，开启水下无人机的定俯仰角运动模式后，根据水下无人机当前飞行姿态，实时检测水下无人机的俯仰角并进行反馈；水下无人机再将当前的各推进器的推进力根据反馈的俯仰角进行重新调整分配各推进力，使水下无人机在俯仰状态下平稳飞行。
其中，在步骤S2中，水下无人机反馈其俯仰状态而确定其的纵倾角，该纵倾角为俯仰角；也就是说，水下无人机下俯或上仰而确定的纵倾角就是本发明要反馈的俯仰角。
在步骤S3中，如果该俯仰角为0°，则采用普通推力分配矩阵将水下无人机当前的各推进器的推进力进行转换调整分配；即通过普通推力分配矩阵将当前的各推进器的推进力进行转换，通过各推进器的推进力的保持，使水下无人机平稳飞行；普通推力分配矩阵为：
在步骤S3中，如果该俯仰角不为0°，则采用实时推力分配矩阵将水下无人机当前的各推进器的推进力进行转换调整分配；即通过实时推力分配矩阵将当前的各推进器的推进力进行转换，实时分配到各推进器的产生的推进力上，通过各推进器的推进力的实时的不同调整，使水下无人机平稳飞行；实时推力分配矩阵为：
如图2和图3所示，在步骤S3中，如果该俯仰角为0°，水下无人机处于平衡状态，则其坐标定义为O-XYZ坐标系；如果俯仰角不为0°，水下无人机处于定俯仰角状态，则其坐标定义为O-xyz坐标系；O-XYZ坐标系与O-xyz坐标系的夹角的大小等于俯仰角的大小。在步骤S3中，在水下无人机处于平衡状态下，在O-XYZ坐标系内，各方向的推进器的推进力分别为Fx-in、Fz-in和Nz-in；在水下无人机处于定俯仰角状态下，在O-xyz坐标系内，各方向的推进器的推进力分别为Fx-in’、Fz-in’和Nz-in’。
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；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。
如图6和图7所示为一种水下无人机的定俯仰角运动控制装置，其采用前述实施例水下无人机的定俯仰角运动控制方法。定俯仰角运动控制装置包括用于提供动力的推进器、用于控制该推进器运行的定倾PID控制器和用于实时反馈水下无人机的俯仰角的定俯仰角运动控制器；定倾PID控制器分别与推进器、定俯仰角运动控制器电性连接。定倾PID控制器控制各个推进器运行，各个推进器使水下无人机进行平稳飞行，同时定俯仰角运动控制器实时检测水下无人机的俯仰状态，并向定倾PID控制器控制实时反馈其检测到的水下无人机的俯仰角，而通过定倾PID控制器再实时调整分配到各推进器，使各推进器的推进力进行实时调整，从而使水下无人机在俯仰状态下平稳飞行。
在本发明中，如图2所示，推进器的数量为6个，其中在水下无人机的左右两侧分别设置有2个推进器，在水下无人机的尾侧设置有2个推进器，通过该6个推进器来控制水下无人机的飞行，可以控制水下无人机在5个自由度上运动。
在本发明中，定俯仰角运动控制器内设置有用于感应水下无人机的俯仰的感应模块和用于计算水下无人机的俯仰角度的检测模块；水下无人机的定俯仰角运动控制器内感应模块先感觉水下无人机的俯仰状态，检测模块计算水下无人机的俯仰角度再反馈给定倾PID控制器。
本发明提供一个实施例，提供一种六推水下无人机，在定倾PID控制器的基础上，结合实时推力分配机制，设计提出了六推水下无人机专用的定俯仰角运动控制器，根据水下无人机的实时俯仰角反馈自动控制俯仰姿态的平衡和航行运动的稳定；该六推水下无人机带有6个可正反转螺旋桨推进器，且可以控制在5个自由度上运动。由于水下无人机为刚体结构，为了简化机体的本体局部坐标系和大地坐标系(就是平面的XYO坐标系)之间的转换流程，将水下无人机的本体坐标系原点和大地坐标系原点都设置在水下无人机的重心O点上(如图2所示)。如图3和图4所示，遵循笛卡尔(右手)坐标系原则，设置水下无人机本体坐标系中俯视视角下x轴为正前方向，y轴正右方向，z轴为正下方向。水下无人机本体坐标系O-xyz相对于水下无人机机体保持相对静止，但是由于水下无人机自身姿态和航向的偏移，其本体(局部)坐标系O-xyz同大地坐标系O-XYZ存在绕不同方向的角度转动。水下无人机本体的局部坐标系旋转根据它的九轴姿态角变换，按照欧拉角变换的方式将水下无人机本体局部坐标系上的加速度分量投影到大地坐标系上。如图4所示，是用三个旋转角度α、β和γ来标示旋转的，图中水平的坐标系是起始的坐标系，倾斜的坐标系是最后旋转完成的坐标系。整个旋转分为三个步骤：将坐标系绕z轴旋转α角，将旋转后坐标系绕自己本身的x轴(也就是图中的N轴)旋转β角，将旋转后坐标系绕自己本身的y轴旋转γ角。由于绕不同的轴旋转所得到的欧拉角是不同的，所以欧拉角在使用的时候必须要先指明旋转的顺序，该实施例中这里旋转的顺序采用“zxy”的顺序。根据水下无人机定俯仰角的运动模式，坐标系旋转只考虑俯仰角γ角的变换，水下无人机本体坐标系绕其y轴旋转γ角至Ox轴与大地坐标系OX轴重合，此处的γ角即为纵倾角γ，方向顺时针为正，逆时针为负。将水下无人机处于平衡状态(横摇俯仰角度均为0的状态)时的坐标定义为O-XYZ坐标系，当处于定俯仰角状态(定俯仰角度不为0的状态)时的坐标定义为O-xyz坐标系。如图5所示，该实施例的流程框图，当存在俯仰角时，增加两坐标系之间的转换矩阵CP，将O-XYZ坐标系内各推进器的推进力的Fx-in、Fz-in和Nz-in转换成为在O-xyz坐标系内各推进器的推进力的Fx-in’、Fz-in’和Nz-in’，其转换关系公式为：
当机体保持水平不处于定俯仰状态时，采用普通推力分配矩阵为：
当机体处于定俯仰角运动状态时，采用实时推力分配矩阵为：
在O-XYZ坐标系中的推进器的推进力的合力即可通过CP矩阵转换为O-xyz坐标系的推进器的推进力的合力，即为：
与现有技术相比，本发明采用定倾PID控制器，通过闭环反馈控制保持设定的水下无人机俯仰角度，同时通过在有俯仰角状态下的推力实时分配机制，控制水下机器人的稳定运动航行。本发明能够帮助水下无人机在定俯仰角状态下实现非常平稳的航行和运动，且其控制系统耦合度高、控制算法易于实现、控制策略简单高效；并且有效解决了现有技术中方案，水下无人机在有俯仰角状态下的运动不稳定、容易失控的问题。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、开启定俯仰角运动模式；
步骤S2、根据水下无人机当前飞行姿态，判定水下无人机的俯仰角；
步骤S3、根据水下无人机的俯仰角，将水下无人机当前的各推进器的推进力进行调整分配；
在步骤S3中，如果该俯仰角为0°，则采用普通推力分配矩阵将水下无人机当前的各推进器的推进力进行转换调整分配；普通推力分配矩阵为：
在步骤S3中，如果该俯仰角不为0°，则采用实时推力分配矩阵将水下无人机当前的各推进器的推进力进行转换调整分配；实时推力分配矩阵为：
在步骤S3中，如果该俯仰角为0°，水下无人机处于平衡状态，则其坐标定义为O-XYZ坐标系；如果俯仰角不为0°，水下无人机处于定俯仰角状态，则其坐标定义为O-xyz坐标系；O-XYZ坐标系与O-xyz坐标系的夹角的大小等于俯仰角的大小；
在步骤S3中，在水下无人机处于平衡状态下，在O-XYZ坐标系内，各方向的推进器的推进力分别为Fx-in、Fz-in和Nz-in；
在步骤S3中，在水下无人机处于定俯仰角状态下，在O-xyz坐标系内，各方向的推进器的推进力分别为Fx-in’、Fz-in’和Nz-in’；
在O-XYZ坐标系中的推进器的推进力的合力即可通过CP矩阵转换为O-xyz坐标系的推进器的推进力的合力，即为：
2.根据权利要求1所述的一种水下无人机的定俯仰角运动控制方法，其特征在于，在步骤S2中，水下无人机反馈其俯仰状态而确定其的纵倾角，该纵倾角为俯仰角。
3.一种水下无人机的定俯仰角运动控制装置，其特征在于，采用如权利要求1-2任意一项所述的控制方法，该控制装置包括用于提供动力的推进器、用于控制该推进器运行的定倾PID控制器和用于实时反馈水下无人机的俯仰角的定俯仰角运动控制器；所述定倾PID控制器分别与所述推进器、定俯仰角运动控制器电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种水下无人机的定俯仰角运动控制装置，其特征在于，所述推进器的数量为6个，其中在水下无人机的左右两侧分别设置有2个推进器，在水下无人机的尾侧设置有2个推进器。
5.根据权利要求4所述的一种水下无人机的定俯仰角运动控制装置，其特征在于，所述定俯仰角运动控制器内设置有用于感应水下无人机的俯仰的感应模块和用于计算水下无人机的俯仰角度的检测模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A Fixed Pitch Angle Motion Control Method and Device for Underwater Unmanned Aerial Vehicles Effective date of registration: 20230811 Granted publication date: 20210824 Pledgee: Bank of Communications Limited Shenzhen Branch Pledgor: SHENZHEN GENEINNO TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980051816 |