CN113867132B - 一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统，圆碟形水下机器人包括机体，机体内还设置有控制桶，所述姿态稳定与调节系统设置在所述控制桶内，姿态稳定与调节系统包括大电机、滑动轨道、小电机、旋转圆盘组、姿态传感器和控制系统；本发明还公开了一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统的控制方法，本发明利用小电机带动旋转圆盘组旋转从而利用陀螺的定轴性使航行器在水下作业时保持稳定，同时，滑动轨道控制滑块带动小电机偏移，同时开启控制桶内的大电机，带动滑动轨道旋转，以形成重力矩，从而使机身朝特定方向倾斜一定的角度，增加了可进行作业的任务种类。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人姿态稳定调节技术领域，具体涉及一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统及控制方法。
背景技术
从20世纪20年代至今，人类从来没有停止过对现代潜水器的研制。而进入21世纪后，各类新型潜水器得到了快速的发展，水下滑翔机(Glider)以及各类无缆自治潜水器(AUV)逐步在海洋探测中得到了广泛应用。
直到目前，国际上出现的众多潜水器虽然种类繁多，但是在日常应用中仍然缺乏一定的运动稳定性。例如：有缆潜水器(ROV)、无缆自治潜水器(AUV)在海洋环境中以较低的速度航行时，其运动更易受到外界环境的干扰而失去稳定性等等。但值得注意的是，不论是哪一种潜水器，其水下运动的稳定性始终是水下作业的基础。因此针对自身结构设计或是外界环境变化的影响，如何提高潜水器运行中的稳定性仍是目前亟待解决的问题之一。
公告号为CN104155991B的专利说明书中个公开了一种水下机器人位姿控制方法，采用平衡结构设计，对对称的框架结构进行建模，传感器测得机器人姿态的俯仰角、翻滚角、偏航角；与期望值做差值得到误差，通过PID算法对误差进行调节，对电机进行控制，使姿态保持平衡；该种水下机器人位姿控制方法，可以使机器人在水下具有能抵抗环境扰动的姿态稳定性，确保机器人顺利的完成细致，复杂的工作。
公告号为CN105676867B的专利说明书中个公开了一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法，采用对水下机器人模型的机体姿态与机体深度及机体平面移动与机体姿态进行分离控制的方法，并分别在水下机器人框架结构内建立数学模型，利用传感器对水下机器人的机体状态进行检测，并反馈机体姿态的欧拉角与机体位置参数，与期望的机体姿态的欧拉角与机体位置参数进行做差处理，通过双闭环控制算法对机体位置和姿态的误差进行调节，继而对水下机器人的推进器转速进行控制，最终实现在水下复杂扰动的环境下水下机器人依然能够维持姿态的稳定控和运动到期望位置的控制。
上述两种方案同样存在稳定性叫较低的问题，基于以上问题，现提出一种全新的水下自主控制机器人的设计方案，其利用了陀螺定轴性的原理从而能够更好地在水下平稳工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统，能够克服现有机器人易受周围环境影响而失去稳定性、工作姿态单一的问题。
一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统，圆碟形水下机器人包括机体，机体四周均匀地分布两对推进器，其中一对水平向前，另一对水平左右朝向，机体的内部还对称设置有一对竖直朝向的推进器，机体内还设置有控制桶，所述姿态稳定与调节系统设置在所述控制桶内，姿态稳定与调节系统包括：
大电机，设置于控制桶内底部中心；
滑动轨道，对称设置在大电机上，大电机能带动滑动轨道旋转；
小电机，滑动设置于滑动轨道上；
旋转圆盘组，设置于小电机上，旋转圆盘组包括传动装置以及分别设置于传动装置上下端的两个圆盘，小电机通过传动装置驱动两圆盘以相同的角速度正反转，实现角动量平衡；
姿态传感器，用于测量圆碟形水下机器人的运动状态；
控制系统，与姿态传感器实时进行数据交互，以对大电机、小电机和滑动轨道进行控制，实现姿态的稳定与调节。
本方案中，利用小电机带动旋转圆盘旋转从而利用陀螺的定轴性使航行器在水下作业时保持稳定，从而比其它类型的水下航行器完成更精准的作业任务和数据采集。同时，滑动轨道控制滑块带动小电机偏移，同时开启控制桶内的大电机，带动滑动轨道旋转，以形成重力矩，从而使机身朝特定方向倾斜一定的角度，增加了可进行作业的任务种类。
作为优选，所述传动装置包括上轴、下轴以及用于上轴和下轴传动连接的齿轮组；两个圆盘对应设置在上轴、下轴上，所述下轴与小电机的输出轴连接；
姿态稳定与调节系统还包括用于固定传动装置的连杆，所述连杆穿过传动装置且两端分别固定在滑动轨道上。
本发明的另一目的在于提供一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节的控制方法，以圆碟形水下机器人当前翻滚角α与俯仰角β作为PID控制器输入，以姿态稳定与调节系统中大电机控制滑动轨道旋转的角度φ和滑动轨道控制小电机偏移的距离l为PID控制器输出，实现对内部重块的移动控制，进行翻滚角与俯仰角的联合控制，综合进行圆碟形水下机器人的姿态控制。
作为优选，圆碟形水下机器人旋转的三自由度简化模型如下：
其中，Ix,Iy,Iz为圆碟形水下机器人对Gx,Gy,Gz轴的转动惯量，r,s,t为Gx,Gy,Gz轴的角速度，为各分量速度对应的加速度，L,M,N为Gx,Gy,Gz轴分力矩。
作为优选，翻滚角与俯仰角的联合控制的状态方程如下：
其中，α为当前水下机器人翻滚角，β为当前水下机器人俯仰角，g为当前所在地的重力加速度；
公式(2)为Gx轴方向(翻滚角)控制律；
公式(3)为Gy轴方向(翻滚角)控制律。
作为优选，通过开启机体中控制桶内的小电机带动旋转圆盘组旋转，同时保持小电机位于机体中心位置，从而利用陀螺旋转的定轴性保持平衡。
作为优选，通过旋转圆盘组的旋转来保证机体在水中运动的平稳性。
作为优选，机体中控制桶内的姿态传感器测量圆碟形水下机器人的运动状态，如果倾斜角度超过阈值或需要圆碟形水下机器人在特定角度下工作，则停止旋转圆盘组旋转，然后通过大电机控制滑动轨道旋转到特定角度，最后通过滑动轨道带动小电机偏移，以形成重力矩，从而使机身朝特定方向倾斜一定的角度。
本发明的有益效果：
该圆碟形水下航行器中有一个质量均匀的旋转系统，利用小电机带动旋转圆盘组旋转从而利用陀螺的定轴性使航行器在水下作业时保持稳定，从而比其它类型的水下航行器完成更精准的作业任务和数据采集。同时，滑动轨道控制滑块带动小电机偏移，同时开启控制桶内的大电机，带动滑动轨道旋转，以形成重力矩，从而使机身朝特定方向倾斜一定的角度，增加了可进行作业的任务种类，能够更好地完成海底观测网的构建、海底考古、浅水区域探测等工作，进一步提高了此类水下机器人的性能。
附图说明
图1为圆碟形水下机器人机体主视图；
图2为圆碟形水下机器人机体俯视图；
图3为圆碟形水下机器人机体截面图；
图4为姿态稳定与调节系统主视图；
图5为传动装置的剖面示意图；
图6为稳定平台控制系统电路框图；
图7为姿态稳定与调节系统坐标系示意图；
图8为姿态稳定与调节系统的控制器框图；
图9为姿态稳定与调节系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统，圆碟形水下机器人包括机体1，机体1四周均匀地分布两对推进器2，其中一对水平向前，另一对水平左右朝向，机体1的内部还对称设置有一对竖直朝向的推进器2，机体1内还设置有控制桶3，控制桶3内设置有姿态稳定与调节系统。
姿态稳定与调节系统包括大电机4、滑动轨道5、小电机6、旋转圆盘组7、姿态传感器、控制系统和电池组。其中，大电机4固定于控制桶3内底部中心，大电机4带动其上的滑动轨道5旋转；滑动轨道5对称的安装在大电机4上，滑动轨道5上通过滑块51安装有电池组和小电机6，可以用自身的电机控制滑块51的移动从而实现小电机6在滑动轨道5上的移动；旋转圆盘组7设置于小电机6上，小电机6能带动旋转圆盘组7旋转，以增加机体的稳定性。
旋转圆盘组7包括传动装置71以及分别设置于传动装置71上下端的两个圆盘72；传动装置71具体包括外壳体、伸出外壳体的上轴711、下轴712以及设置在外壳体内用于上轴711和下轴712传动连接的齿轮组713，齿轮组713具体采用锥齿轮组，如图5所示；两个圆盘72对应设置在上轴711、下轴712上，用固定环实现轴向定位，用普通平键实现动力传输；下轴712与小电机6的输出轴连接，通过小电机6的驱动，实现传动装置71上、下轴以相同的角速度朝相反的方向旋转，即实现两个圆盘72以相同的角速度朝相反的方向旋转。上轴711和下轴712通过轴承与外壳体进行连接，使得外壳体可以保持不动，外壳体仅为轴和齿轮提供支撑。
姿态稳定与调节系统还包括用于固定传动装置71的连杆8，连杆8穿过传动装置71且两端分别固定在滑动轨道4上。
如图6所示，大电机4、小电机6、滑动轨道电机和姿态传感器构成物理平台结构，由稳定平台控制系统进行控制；具体地，圆碟形水下机器人内的姿态传感器实时与控制系统内的控制芯片进行数据交互，即将测量的机体1翻滚角和俯仰角传入PID控制器，经过控制算法计算后输出旋转角度、偏移距离、旋转速度等数据给伺服DSP，然后利用PWM波对大、小电机与滑动轨道电机进行控制。同时姿态传感器仍然实时传输会数据进行角度修正，从而形成闭环控制。整个过程中，若想要机体主动朝特定方向倾斜一定的角度，可以通过外界指令对控制算法中的初始状态进行修改，即将目标翻滚角与俯仰角定为最终状态即可。
一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统的控制方法，以圆碟形水下机器人当前翻滚角α与俯仰角β作为PID控制器输入，以姿态稳定与调节系统中大电机控制滑动轨道旋转的角度φ和滑动轨道控制小电机偏移的距离l为PID控制器输出，实现对内部重块的移动控制，进行翻滚角与俯仰角的联合控制，综合进行圆碟形水下机器人的姿态控制。
首先如图7所示建立运动坐标系，则圆碟形水下机器人的运动参数与力的坐标分量如表1所示。总体控制器的控制原理框图如图8所示，下面讲述翻滚角与俯仰角的联合控制的控制律推导。
运动参数与力的载体坐标系分量
| 矢量 | Gx轴 | Gy轴 | Gz轴 |
| 角速度Ω | r | s | t |
| 力矩M | L | M | N |
表1
然后根据刚体的欧拉旋转定理得出圆碟形水下机器人的转动运动方程式为：
其中，Ω为载体坐标系下的角速度矢量，I为圆碟形水下机器人的转动惯量，MΣ为合力矩。
令Ω＝ri+sj+tk，则得到圆碟形水下机器人旋转的三自由度简化模型如下：
其中，Ix,Iy,Iz为圆碟形水下机器人对Gx,Gy,Gz轴的转动惯量，r,s,t为Gx,Gy,Gz轴的角速度，i,j,k为Gx,Gy,Gz轴的单位向量，为各分量速度对应的加速度，L,M,N为Gx,Gy,Gz轴分力矩。
此处进行翻滚角与俯仰角的联合控制，由于不考虑偏航角的影响(gamma＝0，t＝0)且重力矩作用在GXY平面内，故其状态方程如下：
公式(2)为Gx轴方向(翻滚角)控制律；
公式(3)为Gy轴方向(翻滚角)控制律。
考虑圆碟形机体中翻滚角与俯仰角的耦合作用，将公式(2)与公式(3)相结合，建立耦合方程组，求解出偏心距离l与旋转角度φ的控制律；可分别求解出距离l在Gx,Gy轴上的分量，然后进行计算得出l和φ；求解如下：
其中，
本发明的工作过程：
装配完毕并调试好后将水下机器人放入水中，水面控制台用操作柄进行控制命令的输入,若需要水下机器人下潜或上浮,只需控制现有水下机器人机体向上的推进器旋转；若要实现水下机器人的前进或后退,则只需控制水平朝向的推进器同时正转或反转即可；若要实现水下机器人的悬停,只要控制向上的推进器以一定的转速抵消水下机器人的水中质量即可。
如图9所示，圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统的控制方法流程可大致分为自主判断控制与外界指令控制两条线路。
对于增稳功能，仅能通过外界指令来开启，且在调节姿态时需关闭。开启增稳功能后，小电机会在机体中心位置带动旋转圆盘旋转，从而利用陀螺定轴性来增加机体稳定性。
对于姿态调节功能，可由自主判断倾斜是否超过阈值来决定是否开启也可以通过外界指令直接开启。开启姿态调节功能后，现有圆碟形水下机器人1内的姿态传感器实时与控制系统内的控制芯片进行数据交互，即将测量的机体翻滚角和俯仰角传入PID控制器，经过控制算法计算后输出旋转角度、偏移距离等数据对大、小电机与滑动轨道电机进行控制。同时姿态传感器仍然实时传输会数据进行角度修正，从而形成闭环控制。
由此，本发明解决了无缆自治潜水器(AUV)水下运动稳定性这一关键技术问题。通过开启旋转电机，利用陀螺定轴性使机体水平，同时还可以利用滑动轨道、旋转圆盘等结构对机体的姿态角进行调整，从而更好地开展水下作业任务。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (8)
1.一种圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统，圆碟形水下机器人包括机体，机体四周均匀地分布两对推进器，其中一对水平向前，另一对水平左右朝向，机体的内部还对称设置有一对竖直朝向的推进器，其特征在于，机体内还设置有控制桶，所述姿态稳定与调节系统设置在所述控制桶内，姿态稳定与调节系统包括：
大电机，设置于控制桶内底部中心；
滑动轨道，对称设置在大电机上，大电机能带动滑动轨道旋转；
小电机，滑动设置于滑动轨道上；
旋转圆盘组，设置于小电机上，旋转圆盘组包括传动装置以及分别设置于传动装置上下端的两个圆盘，小电机通过传动装置驱动两圆盘以相同的角速度正反转；
所述的传动装置包括外壳体、伸出外壳体的上轴、下轴以及设置在外壳体内用于上轴和下轴传动连接的齿轮组；两个圆盘对应设置在上轴、下轴上，用固定环实现轴向定位，用普通平键实现动力传输；下轴与小电机的输出轴连接，通过小电机的驱动，实现传动装置上、下轴以相同的角速度朝相反的方向旋转；
姿态传感器，用于测量圆碟形水下机器人的运动状态；
控制系统，与姿态传感器实时进行数据交互，以对大电机、小电机和滑动轨道进行控制，实现姿态的稳定与调节。
2.根据权利要求1所述的圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统，其特征在于，所述姿态稳定与调节系统还包括用于固定传动装置的连杆，所述连杆穿过传动装置且两端分别固定在滑动轨道上。
3.一种应用于如权利要求1-2任一项所述的圆碟形水下机器人姿态稳定与调节系统的控制方法，其特征在于：以圆碟形水下机器人当前翻滚角α与俯仰角β作为PID控制器输入，以姿态稳定与调节系统中大电机控制滑动轨道旋转的角度φ和滑动轨道控制小电机偏移的距离l为PID控制器输出，实现对内部重块的移动控制，进行翻滚角与俯仰角的联合控制，综合进行圆碟形水下机器人的姿态控制。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：圆碟形水下机器人旋转的三自由度简化模型如下：
其中，Ix,Iy,Iz为圆碟形水下机器人对Gx,Gy,Gzz轴的转动惯量，r,s,t为Gx,Gy,Gz轴的角速度，为各分量速度对应的加速度，L,M,N为Gx,Gy,Gz轴分力矩。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：翻滚角与俯仰角的联合控制的状态方程如下：
其中，α为当前水下机器人翻滚角，β为当前水下机器人俯仰角，g为当前所在地的重力加速度；
公式(2)为Gx轴方向(翻滚角)控制律；
公式(3)为Gy轴方向(翻滚角)控制律。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：通过开启机体中控制桶内的小电机带动旋转圆盘组旋转，同时保持小电机位于机体中心位置，从而利用陀螺旋转的定轴性保持平衡。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：通过旋转圆盘组的旋转来保证机体在水中运动的平稳性。
8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：机体中控制桶内的姿态传感器测量圆碟形水下机器人的运动状态，如果倾斜角度超过阈值或需要圆碟形水下机器人在特定角度下工作，则停止旋转圆盘组旋转，然后通过大电机控制滑动轨道旋转到特定角度，最后通过滑动轨道带动小电机偏移，以形成重力矩，从而使机身朝特定方向倾斜一定的角度。
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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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