CN117032268B - 一种水下并联机器人智能下潜控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下并联机器人智能下潜控制方法，步骤S1：获取水下并联机器人下潜信息，所述下潜信息包括下潜深度和姿态信息；步骤S2：对所述实际深度和姿态信息进行分析，获取所述水下并联机器人的姿态角；步骤S3：当所述姿态角大于设定的姿态角阈值时执行步骤S4，否则执行步骤S5；步骤S4：采用模糊速度同步方法控制所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行同步后，对四个角的下潜深度进行调整直到姿态角小于姿态角阈值；步骤S5：调整所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行协同控制；步骤S6：持续执行步骤S2至步骤S5直到达到需要下潜的深度，以完成下潜任务。
Description
技术领域
本发明涉及水下并联机器人技术领域，具体涉及一种水下并联机器人智能下潜控制方法及系统。
背景技术
在探索海洋资源、开展水下相关试验方面，变深度水下专用试验并联机器人的应用越来越广泛。尽管国内外对于水下并联机器人的研究及应用已经取得了不小的进步，但在面对水下的复杂环境和特殊工况时，现有水下并联机器人仍表现出一些局限性，因此需要对其进行部分改进。
由于水下环境的特殊性，需要考虑到多种因素，如倾角调整、深度控制等，在现有技术中，水下并联机器人在执行任务时往往存在控制不准确、协同性差、稳定性差等问题。因此，亟需一种确保水下并联机器人运行的稳定性和准确性方法。
发明内容
本发明提出了一种水下并联机器人智能下潜控制方法及系统，以解决水下并联机器人在执行任务时控制不准确、协同性差、稳定性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水下并联机器人智能下潜控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取水下并联机器人下潜信息，所述下潜信息包括下潜深度和姿态信息；
步骤S2：对所述实际深度和姿态信息进行分析，获取所述水下并联机器人的姿态角；
步骤S3：当所述姿态角大于设定的姿态角阈值时执行步骤S4，否则执行步骤S5；
步骤S4：采用模糊速度同步方法控制所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行同步后，对四个角的下潜深度进行调整直到姿态角小于姿态角阈值；
步骤S5：调整所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行协同控制，使水下并联机器人的四个角的下潜速度一致；
步骤S6：持续执行步骤S2至步骤S5直到达到需要下潜的深度，以完成下潜任务。
优选地，所述水下并联机器人通过速度控制器对设置于四角的锚绞车组进行下潜速度控制，所述锚绞车组包括一个垂直锚绞车和一个斜拉锚绞车。
优选地，所述速度控制器对设置于四角的锚绞车组进行下潜速度控制的方法包括以下步骤：速度控制器发送速度控制指令至所述锚绞车组中的垂直锚绞车，斜拉锚绞车根据名义模型解算出对应的速度，垂直锚绞车和斜拉锚绞车的速度控制器采用滑模控制器进行闭环控制。
优选地，所述名义模型的表达式为：
；
式中，vj表示斜拉锚绞车的速度，s表示垂直锚绞车与斜拉锚绞车之间的距离，h表示垂直锚与垂直锚绞车之间的缆绳长度，vit表示垂直锚绞车在时间t内收缆行程。
优选地，步骤S4中所述模糊速度同步方法的输入为四台垂直锚绞车速度与平均速度的偏差ei和速度偏差-时间变化率，输出为每台垂直锚绞车的给定速度。
优选地，步骤S4中对四个角的下潜深度进行调整的方法包括以下步骤：将每个所述锚绞车组作为一个智能体，构成多智能体系统，多智能体系统通过智能体之间的互相通信来获取其它智能体的状态量，以实时对下潜深度进行调整。
优选地，所述智能体之间的通信关系用权重矩阵A来表示：
；
式中，如智能体i能够收到智能体j的信息，则称智能体j为智能体i的邻居，令，否则/>。
优选地，步骤S5中所述下潜速度进行协同控制的方法包括以下步骤：对四台垂直锚绞车的速度进行分析，对垂直锚绞车进行速度补偿，补偿量的表达式为：
；
式中，eij表示为第i台垂直锚绞车的速度与第j台垂直锚绞车的速度的差值，k1i＞0和k2i＞0表示控制器参数，表示当前绞车与其它绞车速度偏差的时间变化率。
本发明还提供了一种水下并联机器人智能下潜控制系统，所述系统包括智能决策模块、切换控制模块和驱动执行模块；
所述智能决策模块，用于获取水下并联机器人下潜信息，并根据所述下潜信息生成智能决策，并发送至所述切换控制模块；
所述切换控制模块，用于根据所述智能决策发送控制指令至驱动执行模块；
当姿态角大于设定的姿态角阈值时则发送速度同步控制指令，当速度同步后则发送多智能体调平决策使姿态角降低至设定的姿态角阈值；当姿态角小于设定姿态角阈值使则发送协同控制指令对速度进行协同控制，使水下并联机器人的四个角的下潜速度一致；
所述驱动执行模块，用于根据所述控制指令驱动水下并联机器人进行下潜。
优选地，所述驱动执行模块通过速度控制器发送速度控制指令至锚绞车组中的垂直锚绞车，斜拉锚绞车根据名义模型解算出对应的速度，垂直锚绞车和斜拉锚绞车的速度控制器采用滑模控制器进行闭环控制。
本发明的有益效果至少包括：通过实时掌握水下并联机器人下潜信息，通过对姿态角进行分析，生成智能决策，采用不同的控制策略对水下并联机器人的姿态和速度进行调整，确保水下并联机器人运行的稳定性和准确性；本发明具备智能下潜控制能力，可解决水下并联机器人下潜控制手段单一、克服调平过程中倾角波动较大的技术问题。
作为附加技术特征，本发明采用基于姿态的智能决策切换控制，在不同的工况下将并联机器人的下潜分为基于S面的新型偏差耦合协同控制、模糊速度同步控制和多智能体一致性控制理论的调平控制，更加适合易受外界环境改变影响的水下并联机器人应用。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图；
图2为本发明实施例的决策流程示意图；
图3为本发明实施例中智能下潜控制系统布置图；
图4为本发明实施例的偏差耦合协同控制示意图；
图5为本发明实施例的模糊速度同步控制示意图；
图6为本发明实施例的多智能体调平控制示意图；
图7为本发为本发明水下并联机器人智能下潜控制系统的多绞车耦合系统的多智能体信息交换拓扑结构示意图；
图8为本发明实施例的各绞车速度与平均速度偏差的模糊规则示意图；
图9为本发明实施例的每台绞车的给定速度的模糊规则示意图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种水下并联机器人智能下潜控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取水下并联机器人下潜信息，所述下潜信息包括下潜深度和姿态信息。
具体地，在本发明实施例中，水下并联机器人的实际姿态信息和深度信息通过设置在水下并联机器人内的深度计和倾角仪进行采集。
步骤S2：对所述实际深度和姿态信息进行分析，获取所述水下并联机器人的姿态角。
步骤S3：当所述姿态角大于设定的姿态角阈值时执行步骤S4，否则执行步骤S5。
步骤S4：采用模糊速度同步方法控制所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行同步后，对四个角的下潜深度进行调整直到姿态角小于姿态角阈值。
具体地，如图3所示，本发明实施例中，为了更好对水下并联机器人进行控制，水下并联机器人有四台垂直锚绞车，分别为艏左垂直锚绞车、艉左垂直锚绞车、艏右垂直锚绞车、艉右垂直锚绞车。四台垂直锚绞车为水下并联机器人在垂直方向上运动提供控制力矩，另外四台斜拉锚绞车分别为艏左斜拉锚绞车、艉左斜拉锚绞车、艏右斜拉锚绞车、艉右斜拉锚绞车。斜拉锚绞车主要在垂直方向和水平方向提供分力矩，可保证机器人在水平面内不发生转动和侧移。
如图4至图6所示，图4中为水下并联机器人的下潜设定速度，/>为各垂直锚绞车的速度反馈，/>为各斜拉锚绞车的速度反馈。图5中，/>为当前垂直锚绞车速度/>与四台垂直锚绞车初始时刻平均速度/>的差值，为/>的导数，即/>。图6中，/>，即各垂直锚绞车收缆行程。
本发明实施例中，驱动部分通过对八台锚绞车进行控制以完成水下并联机器人的下潜，通过速度控制器对设置于四角的锚绞车组进行下潜速度控制，使用快速终端非奇异滑模控制策略，电控绞车通过各自的速度编码器反馈形成闭环以控制各电控绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，从而带动钢缆以控制机器人的姿态，实现机器人平稳地执行下潜任务，其中名义模型解算的具体解算过程为：通过每组垂直锚和斜拉锚上的位置传感器获得垂直锚与斜拉锚之间的距离,垂直锚与垂直锚绞车之间的缆绳长度为/>,若垂直锚绞车的速度为/>，斜拉锚绞车的速度为/>垂直锚绞车在时间/>内收缆行程/>，根据几何关系可得出斜拉锚绞车的位移为/>,则反解出斜拉锚绞车的速度为：
；
如图5所示，当姿态角大于设定的姿态角阈值，则通过模糊速度同步方法控制改变机器人的运动控制，模糊速度同步控制指令为速度一致跟踪指令，其调节目标是使水下并联机器人的四台垂直锚绞车趋近于四台绞车的初始时刻的平均速度，初始时刻为下发模糊速度同步指令的时刻，模糊速度同步指令会改变其速度跟踪目标指令，从而会在一定范围内使水下并联机器人在一定范围内缓和其姿态变化，不能保证水下并联机器人的姿态回到姿态角阈值0.5°以内的安全范围，只能保证水下并联机器人尽可能减小其姿态变化并维持稳定。此时，水下并联机器人的姿态并不能和理想姿态达成一致。
本发明实施例中，模糊控制器使用了3个模糊变量，其中输入变量为各绞车速度与平均速度的偏差和速度偏差-时间变化率/>，输出变量为每台绞车的给定速度/>，表达式为：
；
模糊控制器的输入、/>和输出/>的模糊子集均对应[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，即[NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL]。指定模糊规则如表1所示，模糊系统隶属度函数选取三角曲线和高斯曲线形式，如图8和图9所示，即/>、/>对应/>，对应/>。
表1
之后，当四台垂直锚绞车的速度趋于一致后，其姿态不一定调节到姿态角阈值的范围以内，此时，对四个角的下潜深度进行调整直到姿态角小于姿态角阈值。
具体地，本发明实施例中，在对姿态角进行调整时，将每个所述锚绞车组作为一个智能体，构成多智能体系统，多智能体系统模型用于描述多智能体系统中每个智能体的运动状态、控制输入和输出。多智能体系统由4个智能体组成，第个智能体模型为：；其中/>表示第/>个智能体的位移，/>表示/>维欧式空间，/>表示第/>个智能体的控制输入，即第i台垂直锚绞车的设定速度，/>；/>表示第/>智能体的运动状态/>的导数。
多智能体系统通过智能体之间的互相通信来获取其它智能体的状态量，这种通信关系可以通过如图7所示的通信拓扑图来表示，通信拓扑图/>是无向连接图。假设多智能体系统中含有N个智能体，每个智能体分别用一个节点来表示。节点间的通信关系用权重矩阵/>来表示，如节点/>能够收到节点/>的信息，则称节点/>为节点/>的一个邻居，令/>，否则/>。节点/>的入度定义为/>，其中/>表示节点/>的邻居集合。定义入度矩阵为/>。通信图/>的拉普拉斯矩阵/>定义为/>，/>的特征值表示为/>，满足/>，本发明实施例中，取邻接矩阵A为：
。
步骤S5：调整所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行协同控制，使水下并联机器人的四个角的下潜速度一致。
具体地，本发明实施例中协同控制采用基于S面的新型偏差耦合控制，对四台垂直锚绞车的速度进行分析，对垂直锚绞车进行速度补偿，补偿量的表达式为：
；
式中，eij表示为第i台垂直锚绞车的速度与第j台垂直锚绞车的速度的差值，k1i＞0和k2i＞0表示控制器参数，表示当前绞车与其它绞车速度偏差的时间变化率。
针对多绞车速度同步控制系统所提出的一种基于面的改进型偏差耦合控制结构，其考虑了各台绞车的速度之间的误差。相比较于固定增益的传统偏差耦合控制结构，/>面控制器作为一种全新而简单有效的控制方法，减少了系统参数的调整，应用/>面控制器能快速消除电机之间的同步误差看，使其稳定收敛于零，从而保证多电机系统具有良好的同步效果。
步骤S6：持续执行步骤S2至步骤S5直到达到需要下潜的深度，以完成下潜任务。
本发明还提供了一种水下并联机器人智能下潜控制系统，所述系统包括智能决策模块、切换控制模块和驱动执行模块；
所述智能决策模块，用于获取水下并联机器人下潜信息，并根据所述下潜信息生成智能决策，并发送至所述切换控制模块；
所述切换控制模块，用于根据所述智能决策发送控制指令至驱动执行模块；
当姿态角大于设定的姿态角阈值时则发送速度同步控制指令，当速度同步后则发送多智能体调平决策使姿态角降低至设定的姿态角阈值；当姿态角小于设定姿态角阈值使则发送协同控制指令对速度进行协同控制，使水下并联机器人的四个角的下潜速度一致；
所述驱动执行模块，用于根据所述控制指令驱动水下并联机器人进行下潜。
本发明实施例中，所述驱动执行模块通过速度控制器发送速度控制指令至锚绞车组中的垂直锚绞车，斜拉锚绞车根据名义模型解算出对应的速度，垂直锚绞车和斜拉锚绞车的速度控制器采用滑模控制器进行闭环控制。
本发明所提供的方法和系统在进行使用时，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括决策器、控制器、存储器及传输设备，决策器可选用工业级PC，控制器可选用S7-400H系列PLC，存储器选用数据记录仪、传输设备传输控制指令和反馈状态信息以使电子设备执行不同的控制策略。其中，传输设备可选用千兆网交换机。
智能决策模块使用PC作为决策器，根据水下并联机器人的姿态信息进行智能决策，并生成相应的控制指令。PC作为中央控制器，具有强大的计算和决策能力，可以实现智能决策算法。
切换控制模块使用PLC作为控制器，负责控制水下并联机器人的绞车进行协同控制、速度同步控制和多智能体调平控制，以确保机器人的稳定性和准确性。PLC具有可靠的实时控制能力，适合用于执行底层的运动控制任务。
在这个电子设备中，还包括存储器来记录和存储数据。为了满足不同控制策略的需求，可以选择使用数据记录仪作为存储器。数据记录仪可以高效地记录并保存来自传感器的数据、控制指令以及反馈状态信息，以便后续分析和决策使用。通过使用数据记录仪，可以实现对水下并联机器人运行过程的数据记录和分析，为智能决策算法提供支持和改进的依据。
传输信号使用交换机进行信号的传输和通信。交换机提供可靠的数据传输和网络连接，确保控制指令和反馈状态信息可以高效地传输和交换。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，仅表达了本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种水下并联机器人智能下潜控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：获取水下并联机器人下潜信息，所述下潜信息包括下潜深度和姿态信息；
步骤S2：对所述下潜深度和姿态信息进行分析，获取所述水下并联机器人的姿态角；
步骤S3：当所述姿态角大于设定的姿态角阈值时执行步骤S4，否则执行步骤S5；
步骤S4：采用模糊速度同步方法控制所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行同步后，对四个角的下潜深度进行调整直到姿态角小于姿态角阈值；
步骤S5：调整所述水下并联机器人的四个角的下潜速度进行协同控制，使水下并联机器人的四个角的下潜速度一致；
步骤S6：持续执行步骤S2至步骤S5直到达到需要下潜的深度，以完成下潜任务；
所述水下并联机器人通过速度控制器对设置于四角的锚绞车组进行下潜速度控制，所述锚绞车组包括一个垂直锚绞车和一个斜拉锚绞车；
所述速度控制器对设置于四角的锚绞车组进行下潜速度控制的方法包括以下步骤：速度控制器发送速度控制指令至所述锚绞车组中的垂直锚绞车，斜拉锚绞车根据名义模型解算出对应的速度，垂直锚绞车和斜拉锚绞车的速度控制器采用滑模控制器进行闭环控制；
所述名义模型的表达式为：
式中，vj表示斜拉锚绞车的速度，s表示垂直锚绞车与斜拉锚绞车之间的距离，h表示垂直锚与垂直锚绞车之间的缆绳长度，vit表示垂直锚绞车在时间t内收缆行程；
步骤S4中所述模糊速度同步方法的输入为四台垂直锚绞车速度与平均速度的偏差ei和速度偏差-时间变化率输出为每台垂直锚绞车的给定速度；
步骤S4中对四个角的下潜深度进行调整的方法包括以下步骤：将每个所述锚绞车组作为一个智能体，构成多智能体系统，多智能体系统通过智能体之间的互相通信来获取其它智能体的状态量，以实时对下潜深度进行调整；
所述智能体之间的通信关系用权重矩阵A来表示：
A＝[aij]∈RN×N；
式中，如智能体i能够收到智能体j的信息，则称智能体j为智能体i的邻居，令aij＝1，否则aij＝0；
步骤S5中所述下潜速度进行协同控制的方法包括以下步骤：对四台垂直锚绞车的速度进行分析，对垂直锚绞车进行速度补偿，补偿量△vi的表达式为：
式中，eij表示为第i台垂直锚绞车的速度与第j台垂直锚绞车的速度的差值，k1i＞0和k2i＞0表示控制器参数，表示当前绞车与其它绞车速度偏差的时间变化率。
2.一种水下并联机器人智能下潜控制系统，其特征在于：适用于权利要求1所述的方法，所述系统包括智能决策模块、切换控制模块和驱动执行模块；
所述智能决策模块，用于获取水下并联机器人下潜信息，并根据所述下潜信息生成智能决策，并发送至所述切换控制模块；
所述切换控制模块，用于根据所述智能决策发送控制指令至驱动执行模块；
当姿态角大于设定的姿态角阈值时则发送速度同步控制指令，当速度同步后则发送多智能体调平决策使姿态角降低至设定的姿态角阈值；当姿态角小于设定姿态角阈值使则发送协同控制指令对速度进行协同控制，使水下并联机器人的四个角的下潜速度一致；
所述驱动执行模块，用于根据所述控制指令驱动水下并联机器人进行下潜。
3.根据权利要求2所述的一种水下并联机器人智能下潜控制系统，其特征在于：所述驱动执行模块通过速度控制器发送速度控制指令至锚绞车组中的垂直锚绞车，斜拉锚绞车根据名义模型解算出对应的速度，垂直锚绞车和斜拉锚绞车的速度控制器采用滑模控制器进行闭环控制。
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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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