CN113075932B - 一种基于3-rps并联机构的uuv矢量推进控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3‑RPS并联机构的UUV矢量推进控制方法。本发明将2个3‑RPS并联机构组合到一起，形成一个全新的机构，然后分析了该装置对螺旋桨方向的控制方式，避免了多解的情况的发生。最后将其装到UUV上，使UUV具有更好的推进控制效果，并能在复杂的海况下保持其稳定性。

Description

一种基于3-RPS并联机构的UUV矢量推进控制方法
技术领域
本发明属于UUV推进控制领域，具体来说是基于3-RPS并联机构来对传统UUV推进控制策略进行改进，从而在保证UUV正常推进的同时，增加其灵巧性与稳定性，提高UUV运行效率。
背景技术
海洋自古以来都是人类探索未知与发掘资源的宝库。近年来，随着世界各国对海洋发展的日渐重视，以及海洋技术的飞速发展，水下无人机器人逐渐成为探索海洋的重要工具之一。由于水下无人机器人具有机动性好，可操作性强，无人生安全风险等优点，因此不管在民用领域还是军事领域，UUV都起着重要的作用。然而，UUV的发展种类众多，方向也各不相同，因此在UUV的推进控制方面，仍有着巨大的发展空间。
传统UUV靠舵叶来调整螺旋桨，在灵巧性上尚有欠缺，此外由于海洋中的环境较为复杂，外干扰因素众多，导致UUV的稳定性成为了UUV设计中的一个关键。现有的UUV在航行时难以保证良好的稳定性，而3-RPS并联机构具有可控性好、精度高、承载能力强等特点，可以使UUV在面对复杂海况时仍然能够灵活稳定地调整方向。
发明内容
本发明针对现有UUV在航行时无法保证良好的稳定性，改变了传统的靠舵叶调整螺旋桨的推进策略，提出了一种3-RPS+3-RPSUUV矢量推进装置及控制策略，用以提高UUV在海中作业时的推进控制性能。
本发明将2个3-RPS并联机构串联在一起，使得UUV调整螺旋桨方向的角度变得更为灵活，在提高UUV灵巧性的同时提高UUV的稳定性。
为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：
将两个3-RPS并联机构合并起来。具体是将前一个3-RPS并联机构的动平面作为后一个3-RPS并联机构的定平面，其中后一个3-RPS并联机构的三条运动支链起于定平面的三条边的中点。再将前一个3-RPS并联机构的定平面装于装于UUV的尾部，后一个3-RPS并联机构的动平面连接螺旋桨。通过以下控制策略来调整螺旋桨，从而推动UUV。
所述的控制策略具体是：
设前一个3-RPS并联机构的定平面为xoy面，且A1B1、A2B2、A3B3为前一个3-RPS并联机构的运动支链，C1D1、C2D2、C3D3为后一个3-RPS并联机构的运动支链，其中C1位于边B1B3的中点，C2位于边B1B2的中点，C3位于边B2B3的中点，将xoy面以60°为界限分成6个部分，运动支链A1B1、A2B2、A3B3分别位于210°、330°和90°，并设z轴垂直于xoy面；
当螺旋桨在0°～60°和180°～240°内转动时，只需调节A2B2,A3B3,C1D1,C2D2这四条运动支链，而不必调节A1B1与C3D3。其他角度同理。
而当考虑z轴时，将两个3-RPS并联机构的运动设置限制条件。具体是：
当螺旋桨在z轴上的转动角度小于前一个3-RPS并联机构的极限偏转角时，后一个3-RPS并联机构的三条运动支链上的电机不启动，确保在此情况下，后一个3-RPS并联机构的动平面与前一个3-RPS并联机构的动平面完全平行；
当螺旋桨在z轴上的转动角度大于前一个3-RPS并联机构的极限偏转角时，后一个3-RPS并联机构开始启动。具体方式为：当螺旋桨在xoy平面内的转动角度处于30°～150°时，前一个3-RPS并联机构的A3B3运动支链收缩到最短，A1B1与A2B2运动支链不动，后一个3-RPS并联机构的运动支链开始启动，使螺旋桨在z轴和xoy平面的方向都能达到目标角度。其他角度同理。
与传统的通过舵叶来调整螺旋桨的UUV推进控制策略相比，本发明具有以下优点：
1、3-RPS并联机构相比于传统的舵叶控制，可控性更好，精度更高，承载能力更强，尤其是在灵活性方面，3-RPS并联机构有着十分杰出的效能。
2、本次发明将2个3-RPS并联机构组装在一起，解决了单个3-RPS并联机构转动角度不足的问题，使得装置的自由度大大提高，这也导致UUV在航行时能具有更大的操作空间。
3、该装置整体结构较为紧凑，在面对复杂的海况时，能更好的保持UUV推进的稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1 3-RPS并联机构；
图2 3-RPS+3-RPS装置组装方式简图；
图3 3-RPS+3-RPS装置结构图；
图4装置侧视坐标图；
图5UUV整体布局图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本次发明具体技术方案如下：
考虑一个3-RPS并联机构自身的特性，对其进行位置反解，见图1。
使用Euler法，在3-RPS并联机构的定平台中心建立坐标系O-XYZ，在3-RPS并联机构的动平台中心建立坐标系Q-xyz，则3-RPS三杆的长度可表达为：
Figure BDA0002999496010000031
其中，Six、Siy、Siz、Rix、Riy、Riz分别为球面副中心和转动副中心在动平台中心建立坐标系Q-xyz和定平台中心建立坐标系O-XYZ中的X、Y、Z坐标。
将2个3-RPS并联机构合并起来，具体方式如图2，图3。将前一个3-RPS并联机构的动平台作为后一个3-RPS并联机构的定平台。后一个3-RPS并联机构的三条运动支链球副起于定平面的三条边的中点，这样可以让该装置在调整螺旋桨方向时能具有更多的角度选择。同时考虑到灵活性，运动平台及其运动副从前至后依次变小。
该装置共有6条运动支链(前3后3)，每条支链上都安装有一个步进电机，通过步进电机带动螺杆旋转，从而使对应螺杆收缩，调整平台倾斜角度。
分析该装置对螺旋桨方向的控制方式。
由于螺旋桨的方向调整并不是二维的调整，而是在空间内的三维的调整。因此，首先考虑竖直平面内的方向转动，如图4。为了简化操作，可将xoy面以60°为界限分成6个部分。当螺旋桨在0°～60°和180°～240°内转动时，只需调节A2B2,A3B3,C1D1,C2D2这四条运动支链，而不必调节A1B1与C3D3。其他角度同理。而当考虑z轴时，则需要处理多解的情况。因此，在设计时，可以将2个3-RPS并联机构的运动设置限制条件。当螺旋桨在z轴上的转动角度小于1号3-RPS并联机构的极限偏转角时，2号3-RPS并联机构的三条运动支链上的电机不会启动，确保在此情况下，2号3-RPS并联机构的动平面与1号3-RPS并联机构的动平面完全平行。而当螺旋桨在z轴上的转动角度大于1号3-RPS并联机构的极限偏转角时，2号3-RPS并联机构开始启动。具体方式为：当螺旋桨在xoy平面内的转动角度处于30°～150°时，1号3-RPS并联机构的A3B3运动支链收缩到最短，A1B1与A2B2不动，2号3-RPS并联机构的运动支链开始启动，使螺旋桨在z轴和xoy平面的方向都能达到目标角度。其他角度同理。
将该装置装在UUV后方，前定平台与UUV相连，后动平台与螺旋桨相连，如图5。在控制时，一号3-RPS并联机构的运动支链通过安装在其上的步进电机，对一号动平台(即二号3-RPS并联机构的定平台)的位置和倾斜度进行调整，并连同二号3-RPS并联机构的运动支链，一起对二号3-RPS并联机构的动平台进行调整，从而改变螺旋桨的方向，调整UUV的推进。

Claims (2)

1.一种基于3-RPS并联机构的UUV矢量推进控制方法，其特征在于：
将两个3-RPS并联机构合并起来；具体是将前一个3-RPS并联机构的动平面作为后一个3-RPS并联机构的定平面，其中后一个3-RPS并联机构的三条运动支链起于定平面的三条边的中点；再将前一个3-RPS并联机构的定平面装于UUV的尾部，后一个3-RPS并联机构的动平面连接螺旋桨；通过以下控制策略来调整螺旋桨，从而推动UUV，
所述的控制策略具体是：
设前一个3-RPS并联机构的定平面为xoy面，且A1B1、A2B2、A3B3为前一个3-RPS并联机构的运动支链，C1D1、C2D2、C3D3为后一个3-RPS并联机构的运动支链，其中C1位于边B1B3的中点，C2位于边B1B2的中点，C3位于边B2B3的中点，将xoy面以60°为界限分成6个部分，运动支链A1B1、A2B2、A3B3分别位于210°、330°和90°，并设z轴垂直于xoy面；
当螺旋桨在0°～60°和180°～240°内转动时，只需调节A2B2,A3B3,C1D1,C2D2这四条运动支链，而不必调节A1B1与C3D3；其他角度同理；
而当考虑z轴时，将两个3-RPS并联机构的运动设置限制条件；具体是：
当螺旋桨在z轴上的转动角度小于前一个3-RPS并联机构的极限偏转角时，后一个3-RPS并联机构的三条运动支链上的电机不启动，确保在此情况下，后一个3-RPS并联机构的动平面与前一个3-RPS并联机构的动平面完全平行；
当螺旋桨在z轴上的转动角度大于前一个3-RPS并联机构的极限偏转角时，后一个3-RPS并联机构开始启动；具体方式为：当螺旋桨在xoy平面内的转动角度处于30°～150°时，前一个3-RPS并联机构的A3B3运动支链收缩到最短，A1B1与A2B2运动支链不动，后一个3-RPS并联机构的运动支链开始启动，使螺旋桨在z轴和xoy平面的方向都能达到目标角度；其他角度同理。
2.根据权利要求1所述的一种基于3-RPS并联机构的UUV矢量推进控制方法，其特征在于：前一个3-RPS并联机构的运动支链长度大于后一个3-RPS并联机构的运动支链长度。
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