CN110816792A - 一种水下机器人的稳定性调节系统及方法 - Google Patents

一种水下机器人的稳定性调节系统及方法 Download PDF

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陈满
叶复萌
郭海峰
巩宇
高彦明
向正林
李建秋
彭煜民
赵增涛
贺儒飞
张豪
李勇琦
彭鹏
胡振恺
万晟
刘逸飞
毛允娴
王方
谢天
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Peak and Frequency Regulation Power Generation Co of China Southern Power Grid Co Ltd
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    • B63G8/00Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14Control of attitude or depth
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Abstract

本发明公开了一种水下机器人的稳定性调节系统及方法,包括输入单元、第一计算单元、判断单元和调节单元。通过计算水下机器人各个组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,能够准确得到水下机器人的正浮力和平衡心位置,再通过正浮力与水下机器人设计的浮力进行比较,能够判断水下机器人是否还存在剩余正浮力,通过判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在间距,能够判断出平衡心位置是否正确,如果不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,结束调节,否则就基于存在的剩余正浮力进行调节,通过调节压载的输入,使得水下机器人的平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,提高水下机器人的稳性。

Description

一种水下机器人的稳定性调节系统及方法
技术领域
本发明涉及水下机器人领域,特别涉及一种水下机器人的稳定性调节系统及方法。
背景技术
近年来,水下机器人越来越受到各个国家的重视,无论是在民用还是在军用上,都扮演着重要的角色。
对于任何一种水下机器人来说,水下航行的稳定性是至关重要的,它决定着水下机器人航行的安全性,而浮心与重心的位置决定着水下航行器的稳定性,位置距离过大或过小都会导致航行器失稳,造成严重后果,因此准确测量出浮心与重心的位置,以及调节浮心与重心是非常关键的。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种准确性高、调节容易的自主更新的水下机器人的稳定性调节系统及方法。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种水下机器人的稳定性调节系统,包括:
输入单元,用于输入各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置;
第一计算单元,用于计算水下机器人的正浮力和平衡心位置;
判断单元,用于判断水下机器人是否存在剩余正浮力,以及平衡心位置是否正确;
调节单元,用于控制压载的输入或输出,使得水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上。
作为所述水下机器人的稳定性调节系统的进一步可选方案,所述系统还包括:
第二计算单元,用于计算复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
作为所述水下机器人的稳定性调节系统的进一步可选方案,所述第一计算单元包括:
水下机器人重力重心计算单元,用于计算水下机器人的重力和重心位置;
水下机器人浮力浮心计算单元,用于计算水下机器人的浮力和浮心位置;
水下机器人正浮力平衡心计算单元,用于计算水下机器人的正浮力和平衡心位置。
作为所述水下机器人的稳定性调节系统的进一步可选方案,所述判断单元包括:
第一判断单元,用于判断实际计算出的水下机器人的正浮力与设计的水下机器人的正浮力是否相同;
第二判断单元,用于判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在一定间距。
作为所述水下机器人的稳定性调节系统的进一步可选方案,所述第二计算单元包括:
检测单元,用于检测水下机器人是否发生倾斜;
获取单元,用于获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置;
复原作用力计算单元,用于计算复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
一种水下机器人的稳定性调节方法,具体包括以下步骤:
步骤S1,获取水下机器人各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置;
步骤S2,依据获取的各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的正浮力和平衡心位置;
步骤S3,依据正浮力和平衡心位置,判断水下机器人是否存在剩余正浮力,以及判断平衡心位置是否正确,若不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,则结束调节,否则,执行步骤S4;
步骤S4,通过调节压载来抵消水下机器人的剩余正浮力,使得水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上。
作为所述水下机器人的稳定性调节方法的进一步可选方案,所述方法还包括以下步骤:
步骤S5,当水下机器人发生倾斜时,通过恢复力矩计算出复原水下机器人平衡需要施加的作用力;
步骤S6,调节单元基于计算出的复原作用力进行压载输入。
作为所述水下机器人的稳定性调节方法的进一步可选方案,所述步骤S2包括以下步骤:
步骤S21,依据各组件的重力和重心位置,计算出水下机器人的重力和重心位置;
步骤S22,依据各组件的浮力和浮心位置,计算出水下机器人的浮力和浮心位置;
步骤S23,依据水下机器人的重力和浮力,计算出水下机器人的正浮力;
步骤S24,依据水下机器人的重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的平衡心位置。
作为所述水下机器人的稳定性调节方法的进一步可选方案,所述步骤S5包括以下步骤:
步骤S51,获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置;
步骤S52,依据排水量、浮心高度和重心高度,计算出复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
本发明的有益效果是:采用本发明系统及方法,通过计算水下机器人各个组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,能够准确得到水下机器人的正浮力和平衡心位置,再通过正浮力与水下机器人设计的浮力进行比较,能够判断水下机器人是否还存在剩余正浮力,通过判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在间距,能够判断出平衡心位置是否正确,如果不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,则证明水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,结束调节,否则就基于存在的剩余正浮力进行调节,通过调节压载的输入,使得水下机器人的平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,提高水下机器人的稳性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种水下机器人的稳定性调节系统的组成示意图;
图2为本发明一种水下机器人的稳定性调节方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
参照图1-2,一种水下机器人的稳定性调节系统,包括:
输入单元,用于输入各组件的重力和浮力;
第一计算单元,用于计算水下机器人的正浮力;
判断单元,用于判断水下机器人是否存在剩余正浮力;
调节单元,用于控制压载的输入或输出,使得水下机器人重心和浮心保持在水下机器人的中心垂线上。
在本实施例中,通过计算水下机器人各个组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,能够准确得到水下机器人的正浮力和平衡心位置,再通过正浮力与水下机器人设计的浮力进行比较,能够判断水下机器人是否还存在剩余正浮力,通过判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在间距,能够判断出平衡心位置是否正确,如果不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,则证明水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,结束调节,否则就基于存在的剩余正浮力进行调节,通过调节压载的输入,使得水下机器人的平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,提高水下机器人的稳性;
需要说明的是,当水下机器人浸没于水中时,作用在水下机器人上的力,包括有水下机器人所有水下组件本身的重力以及容器和浮力材料在水下所形成的浮力;作用在水下机器人上的重力是由水下机器人本身各部分的重量所组成,所有重力的作用点G称为水下机器人的重心;作用于水下机器人上所有容积的静水浮力所形成的合力,即为浮力,合力的作用点B称为水下机器人的浮心;所述压载包括但不限于配重块,这里不做具体限定。
优选的,所述系统还包括:
第二计算单元,用于计算复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
在本实施例中,当水下机器人发生倾斜,稳性被破坏,重心和浮心不在水下机器人的中心垂线上时,通过第二计算单元计算出重新平衡水下机器人需要施加多少作用,然后再通过调节单元基于计算出来的复原作用力进行压载输入调节,使得水下机器人的重心和浮心能够重新保持在水下机器人的中心垂线上;需要说明的是,所述水下机器人发生倾斜包括横向倾斜和纵向倾斜。
优选的,所述第一计算单元包括:
水下机器人重力重心计算单元,用于计算水下机器人的重力和重心位置;
水下机器人浮力浮心计算单元,用于计算水下机器人的浮力和浮心位置;
水下机器人正浮力平衡心计算单元,用于计算水下机器人的正浮力和平衡心位置。
在本实施例中,通过各组件的重力和重心位置,计算出水下机器人的总重力和重心位置,通过各组件的浮力和浮心位置,计算出水下机器人的总浮力和浮心位置,然后通过水下机器人总浮力和总重力之差,计算出水下机器人的正浮力,通过重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的平衡心位置;
需要说明的是,ROV总重量是各项重量的总和,若已知各个组件的重量Wi,则ROV总重量W可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000071
式中,n——组成ROV总重量的各个重量组件的数目;
ROV总浮力是各项浮力的总和,若已知各个组件的排水体积Vi,则ROV总浮力F可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000072
式中,n——组成ROV总浮力的各个体积组件的数目;
水下机器人的重心位置通过各个组件的重心位置计算获得,水下机器人的浮心位置通过各个组件的浮心位置计算获得;其中,
若已知各项重量Wi的重心位置(坐标值为xi、yi、zi),则ROV的重心位置(xG、yG、zG)可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000081
若已知各项体积Vi的浮心位置(坐标值为xi、yi、zi),则ROV的浮心位置(xB、yB、zB)可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000082
优选的,所述判断单元包括:
第一判断单元,用于判断实际计算出的水下机器人的正浮力与设计的水下机器人的正浮力是否相同;
第二判断单元,用于判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在一定间距。
在本实施例中,通过判断实际计算出的水下机器人的正浮力与设计的水下机器人的正浮力是否相同,得到水下机器人是否存在剩余正浮力;通过判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在一定间距,得到水下机器人的平衡心位置是否正确。
优选的,所述第二计算单元包括:
检测单元,用于检测水下机器人是否发生倾斜;
获取单元,用于获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置;
复原作用力计算单元,用于计算复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
在本实施例中,通过检测单元检测出水下机器人是否发生倾斜,如果发生倾斜,获取水下机器人倾斜的方向,判断是属于横向倾斜还是纵向倾斜,然后再获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置,通过复原力矩公式进行计算,得到复原作用力,调节单元再基于计算出的复原作用力进行压载输入,使得水下机器人重心和浮心能够重新在水下机器人的中心垂线上;
需要说明的是,当水下机器人横向倾斜某一角度φ时,复原力矩公式为:
MR=Δ(zB-zG)sinφ=Δa sinφ;
当水下机器人纵向倾斜某一θ角度时,复原力矩公式为:
MRL=Δ(zB-zG)sinθ=Δa sinθ;
其中,Δ为水下机器人主体的排水量,zB为水下机器人主体的浮心高度,zG为重心高度,并记稳心高a=zB-zG;当zB≤zG,即a≤0时,水下机器人将处于不稳定平衡或中性平衡状态,当水下机器人在外力扰动下,很容易发生倾斜;要使水下机器人在水下处于稳定平衡,即在一定外力扰动下,发生倾斜,当扰动消失后,在自身回复力作用下,迅速恢复至平衡状态,其重心必须位于浮心之下,即a>0,a的数值越大,其回复能力越强;
例如,稳心高不小于40mm,以水下机器人主体重300kg,横倾30°为例,在该设计目标下,水下机器人具有复原力矩:
MR=Δ(zB-zG)sinφ=300*0.04*0.5=6kgm
该数值相当于在水下机器人处于正浮状态下,要使水下机器人横倾30°需要在水下机器人舷侧(距离中心0.3m)施加20kg的作用力。
一种水下机器人的稳定性调节方法,具体包括以下步骤:
步骤S1,获取水下机器人各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置;
步骤S2,依据获取的各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的正浮力和平衡心位置;
步骤S3,依据正浮力和平衡心位置,判断水下机器人是否存在剩余正浮力,以及判断平衡心位置是否正确,若不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,则结束调节,否则,执行步骤S4;
步骤S4,通过调节压载来抵消水下机器人的剩余正浮力,使得水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上。
在本实施例中,通过计算水下机器人各个组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,能够准确得到水下机器人的正浮力和平衡心位置,再通过正浮力与水下机器人设计的浮力进行比较,能够判断水下机器人是否还存在剩余正浮力,通过判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在间距,能够判断出平衡心位置是否正确,如果不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,则证明水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,结束调节,否则就基于存在的剩余正浮力进行调节,通过调节压载的输入,使得水下机器人的平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上,提高水下机器人的稳性;
需要说明的是,当水下机器人浸没于水中时,作用在水下机器人上的力,包括有水下机器人所有水下组件本身的重力以及容器和浮力材料在水下所形成的浮力;作用在水下机器人上的重力是由水下机器人本身各部分的重量所组成,所有重力的作用点G称为水下机器人的重心;作用于水下机器人上所有容积的静水浮力所形成的合力,即为浮力,合力的作用点B称为水下机器人的浮心;所述压载包括但不限于配重块,这里不做具体限定。
优选的,所述方法还包括以下步骤:
步骤S5,当水下机器人发生倾斜时,通过恢复力矩计算出复原水下机器人平衡需要施加的作用力;
步骤S6,调节单元基于计算出的复原作用力进行压载输入。
在本实施例中,当水下机器人发生倾斜,稳性被破坏,重心和浮心不在水下机器人的中心垂线上时,通过第二计算单元计算出重新平衡水下机器人需要施加多少作用,然后再通过调节单元基于计算出来的复原作用力进行压载输入调节,使得水下机器人的重心和浮心能够重新保持在水下机器人的中心垂线上;需要说明的是,所述水下机器人发生倾斜包括横向倾斜和纵向倾斜。
优选的,所述步骤S2包括以下步骤:
步骤S21,依据各组件的重力和重心位置,计算出水下机器人的重力和重心位置;
步骤S22,依据各组件的浮力和浮心位置,计算出水下机器人的浮力和浮心位置;
步骤S23,依据水下机器人的重力和浮力,计算出水下机器人的正浮力;
步骤S24,依据水下机器人的重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的平衡心位置。
在本实施例中,通过各组件的重力和重心位置,计算出水下机器人的总重力和重心位置,通过各组件的浮力和浮心位置,计算出水下机器人的总浮力和浮心位置,然后通过水下机器人总浮力和总重力之差,计算出水下机器人的正浮力,通过重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的平衡心位置;
需要说明的是,ROV总重量是各项重量的总和,若已知各个组件的重量Wi,则ROV总重量W可按下式求得:
式中,n——组成ROV总重量的各个重量组件的数目;
ROV总浮力是各项浮力的总和,若已知各个组件的排水体积Vi,则ROV总浮力F可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000122
式中,n——组成ROV总浮力的各个体积组件的数目;
水下机器人的重心位置通过各个组件的重心位置计算获得,水下机器人的浮心位置通过各个组件的浮心位置计算获得;其中,
若已知各项重量Wi的重心位置(坐标值为xi、yi、zi),则ROV的重心位置(xG、yG、zG)可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000131
若已知各项体积Vi的浮心位置(坐标值为xi、yi、zi),则ROV的浮心位置(xB、yB、zB)可按下式求得:
Figure BDA0002288912850000132
优选的,所述步骤S5包括以下步骤:
步骤S51,获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心高度和重心高度;
步骤S52,依据排水量、浮心高度和重心高度,计算出复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
在本实施例中,通过获取水下机器人倾斜的方向,判断是属于横向倾斜还是纵向倾斜,然后再获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置,通过复原力矩公式进行计算,得到复原作用力,调节单元再基于计算出的复原作用力进行压载输入,使得水下机器人重心和浮心能够重新在水下机器人的中心垂线上;
需要说明的是,当水下机器人横向倾斜某一角度φ时,复原力矩公式为:
MR=Δ(zB-zG)sinφ=Δa sinφ;
当水下机器人纵向倾斜某一θ角度时,复原力矩公式为:
MRL=Δ(zB-zG)sinθ=Δa sinθ;
其中,Δ为水下机器人主体的排水量,zB为水下机器人主体的浮心高度,zG为重心高度,并记稳心高a=zB-zG;当zB≤zG,即a≤0时,水下机器人将处于不稳定平衡或中性平衡状态,当水下机器人在外力扰动下,很容易发生倾斜;要使水下机器人在水下处于稳定平衡,即在一定外力扰动下,发生倾斜,当扰动消失后,在自身回复力作用下,迅速恢复至平衡状态,其重心必须位于浮心之下,即a>0,a的数值越大,其回复能力越强;
例如,稳心高不小于40mm,以水下机器人主体重300kg,横倾30°为例,在该设计目标下,水下机器人具有复原力矩:
MR=Δ(zB-zG)sinφ=300*0.04*0.5=6kgm
该数值相当于在水下机器人处于正浮状态下,要使水下机器人横倾30°需要在水下机器人舷侧(距离中心0.3m)施加20kg的作用力。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,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)

1.一种水下机器人的稳定性调节系统,其特征在于,包括:
输入单元,用于输入各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置;
第一计算单元,用于计算水下机器人的正浮力和平衡心位置;
判断单元,用于判断水下机器人是否存在剩余正浮力,以及平衡心位置是否正确;
调节单元,用于控制压载的输入或输出,使得水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上。
2.根据权利要求1所述的水下机器人的稳定性调节系统,其特征在于,所述系统还包括:
第二计算单元,用于计算复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
3.根据权利要求1-2所述的水下机器人的稳定性调节系统,其特征在于,所述第一计算单元包括:
水下机器人重力重心计算单元,用于计算水下机器人的重力和重心位置;
水下机器人浮力浮心计算单元,用于计算水下机器人的浮力和浮心位置;
水下机器人正浮力平衡心计算单元,用于计算水下机器人的正浮力和平衡心位置。
4.根据权利要求1所述的水下机器人的稳定性调节系统,其特征在于,所述判断单元包括:
第一判断单元,用于判断实际计算出的水下机器人的正浮力与设计的水下机器人的正浮力是否相同;
第二判断单元,用于判断重心位置和浮心位置是否处于水下机器人的中心垂线上,浮心是否在重心上方,重心与浮心是否存在一定间距。
5.根据权利要求2所述的水下机器人的稳定性调节系统,其特征在于,所述第二计算单元包括:
检测单元,用于检测水下机器人是否发生倾斜;
获取单元,用于获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置;
复原作用力计算单元,用于计算复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
6.一种水下机器人的稳定性调节方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤S1,获取水下机器人各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置;
步骤S2,依据获取的各组件的重力、浮力、重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的正浮力和平衡心位置;
步骤S3,依据正浮力和平衡心位置,判断水下机器人是否存在剩余正浮力,以及判断平衡心位置是否正确,若不存在剩余正浮力且平衡心位置正确,则结束调节,否则,执行步骤S4;
步骤S4,通过调节压载来抵消水下机器人的剩余正浮力,使得水下机器人平衡心位置处于水下机器人的中心垂线上。
7.根据权利要求6所述的水下机器人的稳定性调节方法,其特征在于,所述方法还包括以下步骤:
步骤S5,当水下机器人发生倾斜时,通过恢复力矩计算出复原水下机器人平衡需要施加的作用力;
步骤S6,调节单元基于计算出的复原作用力进行压载输入。
8.根据权利要求6-7所述的水下机器人的稳定性调节方法,其特征在于,所述步骤S2包括以下步骤:
步骤S21,依据各组件的重力和重心位置,计算出水下机器人的重力和重心位置;
步骤S22,依据各组件的浮力和浮心位置,计算出水下机器人的浮力和浮心位置;
步骤S23,依据水下机器人的重力和浮力,计算出水下机器人的正浮力;
步骤S24,依据水下机器人的重心位置和浮心位置,计算出水下机器人的平衡心位置。
9.根据权利要求7所述的水下机器人的稳定性调节方法,其特征在于,所述步骤S5包括以下步骤:
步骤S51,获取水下机器人的倾斜度、排水量、浮心位置和重心位置;
步骤S52,依据排水量、浮心高度和重心高度,计算出复原水下机器人平衡需要施加的作用力。
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