CN115562315A

CN115562315A - 一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法、装置、计算机设备和存储介质

Info

Publication number: CN115562315A
Application number: CN202211329964.1A
Authority: CN
Inventors: 王文辉; 叶复萌; 李贻凯; 李乐卿; 李建秋; 张豪; 赵增涛
Original assignee: Energy Storage Research Institute Of China Southern Power Grid Peak Regulation And Frequency Regulation Power Generation Co ltd
Current assignee: Energy Storage Research Institute Of China Southern Power Grid Peak Regulation And Frequency Regulation Power Generation Co ltd
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2023-01-03

Abstract

本申请涉及水下机器人控制领域，提供了一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法、装置、计算机设备和存储介质。该方法包括：通过获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数，得到水下机器人的动态调整参数，根据动态调整参数，生成推进器控制参数后，控制水下机器人执行该推进器参数，以使得水下机器人达到目标运行参数。通过当前运行参数和目标运行参数，确定水下机器人的推进器控制参数，实现针对水下机器人运行参数的实时调整，避免运行路线偏离，提高水下机器人控制的准确性。

Description

一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法、装置、计算机设备和存储介质

技术领域

本申请涉及水下机器人控制领域，尤其是涉及一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

随着现在技术发展，探测机器人能够取代人，在隧洞及水下环境进行数据采集。而隧洞及水下环境较为复杂，对探测机器人的控制要求较高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法、装置、计算机设备和存储介质。

一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，所述方法包括：

获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数；

根据所述当前运行参数和目标运行参数，得到所述水下机器人的动态调整参数；

根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数；

控制所述水下机器人执行所述推进器控制参数，以达到所述目标运行参数。

在本发明一个实施例中，所述当前运行参数包括所述水下机器人的当前位置坐标和当前运行姿态；所述目标运行参数包括所述水下机器人的目标位置坐标和目标运行姿态。

在本发明一个实施例中，所述获取水下机器人的当前运行参数，包括：

根据所述水下机器人的位置传感器的检测数据得到所述当前位置坐标；以及，

根据所述水下机器人的惯性元件的检测数据得到所述当前运行姿态。

在本发明一个实施例中，所述根据所述当前运行参数和目标运行参数，得到所述水下机器人的动态调整参数，包括：

根据所述当前位置坐标和目标位置坐标的距离，得到所述水下机器人的深度距离参数和水平距离参数；

根据所述深度距离参数、水平距离参数和所述当前运行姿态，得到所述水下机器人的动态调整参数。

在本发明一个实施例中，所述根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数，包括：

根据所述动态调整参数，确定各个旋翼的运行目标参数；

根据各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数，生成各个旋翼对应的推进器控制参数。

在本发明一个实施例中，所述根据各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数，生成各个旋翼对应的推进器控制参数，包括：

构建各个控制器的内环自适应系统和外环自适应系统；

将所述各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数通过所述内环自适应系统和外环自适应系统处理，得到所述控制器推进参数。

在本发明一个实施例中，所述内环自适应系统为角速度自适应系统，所述外环自适应系统为角度自适应系统。

一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制装置，所述装置包括：

参数获取单元，用于获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数；

参数处理单元，用于根据所述当前运行参数和目标运行参数，得到所述水下机器人的动态调整参数；

控制参数生成单元，用于根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数；

控制单元，用于控制所述水下机器人执行所述推进器控制参数，以达到所述目标运行参数。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法实施例的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例的步骤。

本发明通过获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数，得到水下机器人的动态调整参数，根据动态调整参数，生成推进器控制参数后，控制水下机器人执行该推进器参数，以使得水下机器人达到目标运行参数。通过当前运行参数和目标运行参数，确定水下机器人的推进器控制参数，实现针对水下机器人运行参数的实时调整，避免运行路线偏离，提高水下机器人控制的准确性。

附图说明

图1为本发明一个实施例中提供的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例中提供的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制装置的结构框图；

图3为本发明一个实施例中提供的计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本发明中，闭环控制指的是作为被控的输出量以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。带有反馈信息的系统控制方式。当操作者启动系统后，通过系统运行将控制信息输向受控对象，并将受控对象的状态信息反馈到输入中，以修正操作过程，使系统的输出符合预期要求。PID闭环控制是常见的闭环控制方法。P环节用于对当前时刻的偏差进行比例放大，I环节用于对过去所有时间的偏差进行积分。D环节通过偏差的偏差，对控制系统的输出走向进行预判，起超前调节的作用。

其中，水下机器人在隧洞或者水下环境运行时，需要穿越隧洞或者水下环境运行到目的地，需要根据运行方向进行调整、转向和控制，并在纵深和水平方向上进行运动。水下机器人还可以在目标点悬停以采集对应的信息。因此，水下机器人至少在运行动力和悬停控制上进行自适应控制，以确保整个探测过程中，水下机器人的性能，并采集到合适的数据。相关技术中，通过单闭环对水下机器人的某一个参数进行控制，控制的基础数据较少，对采集数据的精确性的要求高。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，以该方法应用于服务器为例进行说明，包括以下步骤：

S110，获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数。

其中，水下机器人上配置有位置传感器、加速度传感器、姿态传感器、陀螺仪等硬件，可以用于采集水下机器人的运行参数。

其中，当前运行参数，指的是水下机器人的即时运行参数。服务器可以持续采集水下机器人的运行参数，也可以按照一定时间间隔周期性采集水下机器人的运行参数，还可以按照控制指令采集对应时刻的运行参数。当前运行参数包括单不限于当前位置坐标、当前运行姿态等，可以用于确定水下机器人的基于地理坐标系的位置、运行加速度、运行角度、运行速度以及各个推进器的当前状态。

其中，目标运行参数，指的是服务器预先设定的、或者服务器在水下机器人运行过程中确定的目标参数，可以包括目标位置坐标和目标运行姿态。在进行自适应控制时，相对于当前运行参数，位置坐标和运行姿态中至少有一个设置为变动选项，基于动态变化趋势进行控制。

例如，服务器可以设定水下机器人在目标坐标点A(x，y，z)以某一角度悬停。

S120，根据当前运行参数和目标运行参数，得到水下机器人的动态调整参数。

其中，动态调整参数，指的是水下机器人从当前运行参数运行到目标运行参数时，所需的参数调整，动态调整参数中包括运行方向、加速度、水下机器人各个旋翼的相较于目标姿态的差值等。

S130，根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数。

推进器控制参数，指的是为了控制水下机器人从当前运行参数运行至目标运行参数，控制器需要提供的动力。不同型号的水下机器人配置有不同数量的旋翼，例如四旋翼、六旋翼等，服务器可以根据水下机器人型号对应的预设的算法，根据动态调整参数，得到各个推进器的推进器控制参数。

其中，预设的算法可以是双闭环控制算法，双闭环控制可以是针对运行角速度闭环和运行角速度闭环的控制，也可以是针对位置闭环和姿态闭环进行的控制。对于双闭环控制算法的具体细节不做限定，现有的和改进的双闭环控制算法均可用于实现本发明的方法。例如，服务器中可以预先构建双闭环控系统，包括外环角度PID控制和内环角速度PID控制，其中角度环采用PID控制器对姿态角度进行精确的调整，角速度环采用PID控制器对角速度的变化趋势进行快速调整，使得系统在动态扰动环境下也能够保持较好的控制能力，快速达到目标运行参数。

又例如，服务器可以搭建基于内外环结构的闭环系统，外环为位置子系统，采用自适应滑模控制器来实现平移运动。内环为姿态子系统，通过自抗扰控制器，实现姿态稳定和跟踪。

S140，控制所述水下机器人执行所述推进器控制参数，以达到所述目标运行参数。

具体地，服务器可以控制水下机器人按照推进器控制参数，提供各个旋翼对应的动力，控制水下机器人达到该目标控制参数。

应当说明的是，服务器控制水下机器人运行过程是个不断迭代的过程，服务器可以持续采集当前运行参数，并持续进行上述控制过程，实现对水下机器人运行过程的实时控制。

上述基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法中，通过获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数，得到水下机器人的动态调整参数，根据动态调整参数，生成推进器控制参数后，控制水下机器人执行该推进器参数，以使得水下机器人达到目标运行参数。通过当前运行参数和目标运行参数，确定水下机器人的推进器控制参数，实现针对水下机器人运行参数的实时调整，避免运行路线偏离，提高水下机器人控制的准确性。

在一个实施例中，当前运行参数包括水下机器人的当前位置坐标和当前运行姿态。当前位置坐标可以通过水下机器人的位置传感器采集得到，当前运行姿态可以包括通过惯性元件获得的运行加速度、运行角度、运行速度以及各个推进器的当前状态等。惯性元件可以包括加速度传感器、陀螺仪和电机等。

目标运行参数包括水下机器人的目标位置坐标和目标运行姿态。目标位置坐标可以是服务器预先确定的位置坐标，也可以是临时修改的位置坐标。目标运行姿态可以是水下机器人在目标位置坐标的姿态，例如运行加速度、运行角度、运行速度以及各个推进器的当前状态，可以是悬停状态，也可以是运行状态。

在一个实施例中，S120中确定根据当前运行参数和目标运行参数，得到水下机器人的动态调整参数的步骤，包括：

根据所述当前位置坐标和目标位置坐标的距离，得到所述水下机器人的深度距离参数和水平距离参数；根据所述深度距离参数、水平距离参数和所述当前运行姿态，得到所述水下机器人的动态调整参数。

本实施例中，服务器可以确定水下机器人当前位置到目标位置的深度距离参数和水平距离参数，以此确定水下机器人需运行深度距离和水平距离。

当前运行姿态数据较为复杂，可以包括各个旋翼的角度和角速度。控制水下机器人按照一定的方向运行或者在某一位置悬停，需要结合需运行距离和运行角度，通过调整推进器的动力以使得水下机器人有足够的动力运行至目标位置坐标，或者能够对抗风力、重力等环境因素，达到相对静止的悬停状态。而水下机器人的运行参数是逐步变化的，服务器需要持续采集深度距离参数、水平距离参数和所述当前运行姿态得到动态调整参数，确定当前位置至目标位置的距离、角度趋势、当前动力相对于目标运行参数的差距等。

在一个实施例中，S130中确定根据动态调整参数，生成推进器控制参数的步骤，包括：

根据动态调整参数，确定各个旋翼的运行目标参数；根据各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数，生成旋翼对应的推进器控制参数。

本实施例中，服务器通过控制旋翼的动力实现对水下机器人的控制。基于动态调整参数，可以确定各个旋翼的运行目标参数，包括角度、角速度、姿态、转速等。

其中，当前环境参数包括风速、重力、浮力、水流速等。环境参数作为外部因素，会影响对水下机器人的控制。服务器可以根据运行目标参数和当前环境参数，得到各个旋翼对应的推进器的控制参数。

具体地，服务器可以构建各个控制器的内环自适应系统和外环自适应系统；将各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数通过内环自适应系统和外环自适应系统处理，得到控制器推进参数。

在一些实施例中，内环自适应系统可以为角速度自适应系统，外环自适应系统可以为角度自适应系统。角速度自适应系统和角度自适应系统可以是基于PID的控制系统。

具体地，服务器可以根据各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数，确定各个旋翼的控制输入量，包括基于地理坐标系的控制量，例如竖直速度控制量(用于控制水下机器人以一定速度垂直运动)、横向控制量(用于当设定电机之间转速差达到预设阈值时实现水下机器人左右方向运动)、水平控制量(用于当设定电机之间转速差达到预设阈值时实现水下机器人上下方向运动)和偏航角控制量(用于当设定电机之间转速差达到预设阈值时调整偏航方向)等。将水下机器人的运行拆分成不同的控制量。对于每一个控制量，可以基于水下机器人的硬件参数，预先得到上述各个控制量的控制方程。

其中，服务器可以基于PID控制方法配置各个旋翼的角速度自适应规律，以及角度自适应规律，实现对角速度和角度变化趋势的快速调整，使得水下机器人逐步调整到目标运行姿态。

例如，以四旋翼为例，水下机器人运行时在三个方向的受力情况F，可以表示为：

其中，F_i为电机转动时的各个旋翼的升力。

四个螺旋桨旋转产生的升力分别为F₁，F₂，F₃，F₄，L为电机转动中心距机体中心的距离，I_X，I_Y，I_Z为电机在地理坐标系XYZ轴产生的转动惯量。服务器可以根据上述参数，构建则飞行器在地理坐标系中的旋转角位移运动方程，

其中，，设定无人机沿x轴方向的运动为无人机前进方向，绕x轴旋转的角度定义为横滚角

绕y轴旋转的角度定义为俯仰角θ，绕z轴旋转的角度定义为偏航角φ。

进一步地，服务器可以定义为[X₁，X₂，X₃，X₄]^T控制系统4个独立输入量，则X₁，X₂，X₃，X₄可以根据F₁，F₂，F₃，F₄的计算关系得到。其中，竖直速度控制量X₁，用于控制水下机器人以一定速度垂直运动，横向控制量X₂，用于当设定电机之间转速差达到预设阈值时实现水下机器人左右方向运动，水平控制量X₃，用于当设定电机之间转速差达到预设阈值时实现水下机器人上下方向运动)，偏航角控制量X₄，用于当设定电机之间转速差达到预设阈值时调整偏航方向。具体地，X₁＝F₁+F₂+F₃+F₄，X₂＝F₄-F₂，X₃＝F₃-F₁，X₄＝F₁-F₂+F₃-F₄。服务器可以根据水下机器人的样机参数带入到上述旋转角位移运动方程和独立输入量，根据输出结果，得到对对应的推进器控制参数。其中，样机参数包括但不限于无人机重量m，电机转动中心距机体中心的距离L，以及电机在地理坐标系XYZ轴产生的转动惯量I_X，I_Y，I_Z。

上述实施例的方案，通过内环自适应系统和外环自适应系统处理得到推进器控制参数，考虑当前环境参数，能够提高抗干扰能力。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制装置，该装置200包括：

参数获取单元210，用于获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数；

参数处理单元220，用于根据所述当前运行参数和目标运行参数，得到所述水下机器人的动态调整参数；

控制参数生成单元230，用于根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数；

控制单元240，用于控制所述水下机器人执行所述推进器控制参数，以达到所述目标运行参数。

关于基于双闭环控制的水下机器人自适应控制装置的具体限定可以参见上文中对于基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法的限定，在此不再赘述。上述基于双闭环控制的水下机器人自适应控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明可以应用于计算机设备，如可以执行程序的智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器(包括独立的服务器，或者多个服务器所组成的服务器集群)等。本实施例的计算机设备至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信连接的存储器、处理器，如图3所示。需要指出的是，图3仅示出了具有存储器、处理器组件的计算机设备，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。存储器(即可读存储介质)包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器可以是计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器也可以是计算机设备的外部存储设备，例如该计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。当然，存储器还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器通常用于存储安装于计算机设备的操作系统和各类应用软件，例如水下机器人硬件参数和历史运行数据等。此外，存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。处理器在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制计算机设备的总体操作。本实施例中，处理器用于运行存储器中存储的程序代码或者处理数据，以实现一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法。

本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

以上仅为本发明的优选实施例，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

1.一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取水下机器人的当前运行参数和目标运行参数；

根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数；

2.根据权利要求1所述的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述当前运行参数包括所述水下机器人的当前位置坐标和当前运行姿态；所述目标运行参数包括所述水下机器人的目标位置坐标和目标运行姿态。

3.根据权利要求2所述的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述获取水下机器人的当前运行参数，包括：

4.根据权利要求1所述的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述根据所述当前运行参数和目标运行参数，得到所述水下机器人的动态调整参数，包括：

5.根据权利要求1所述的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述根据所述动态调整参数，生成推进器控制参数，包括：

根据所述动态调整参数，确定各个旋翼的运行目标参数；

6.根据权利要求5所述的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述根据各个旋翼的运行目标参数和当前环境参数，生成各个旋翼对应的推进器控制参数，包括：

构建各个控制器的内环自适应系统和外环自适应系统；

7.根据权利要求6所述的基于双闭环控制的水下机器人自适应控制方法，其特征在于，所述内环自适应系统为角速度自适应系统，所述外环自适应系统为角度自适应系统。

8.一种基于双闭环控制的水下机器人自适应控制装置，其特征在于，所述装置包括：

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。