混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下机器人的运动控制技术，具体为混合悬浮环境中的阻力效应补偿 方法。
【背景技术】
[0002] 混合悬浮环境的主要应用是微重力效应模拟实验，用于在地面模拟空间微重力环 境，目前国内外都已经建成了大量的此类实验设备。物体在环境中受到浮力、电磁力、重力 的共同作用处于悬浮状态，因此其所处空间称为混合悬浮环境。主要方法是将被试对象 (包括航天器实物或模型及航天员）全部浸没在水中，先粗略调整配重或漂浮器的浮力，再 通过电磁力精确配平，克服被试对象的重力，使其漂浮于水中，近似模拟微重力效应。该方 法具有六自由度三维模拟空间，可长时间连续实验。混合悬浮微重力试验是航天技术地面 实验的一种有效手段，它通过水的浮力和电磁力共同克服物体的重力，实现微重力效应的 模拟，但是水动阻力的存在使其应用受到很大限制。因为阻力是混合悬浮系统固有的干扰 力，不可能使其消除，只能对阻力产生的运动效应进行补偿，所以这也是混合悬浮微重力实 验必须解决的关键技术。
[0003] 现有技术中对混合悬浮环境中的阻力效应的研宄主要集中在以下几方面，1)研宄 六自由度运动水下物体的运动学和动力学特性，分析如何建立精确的数学模型。2)研宄水 下物体运动的阻力特性，分析影响阻力系数的主要因素。3)研宄推力器的控制方法，分析如 何提高推进器的控制精度和响应速度。4)研宄测量水下物体位置和运动姿态的方法，分析 如何提高测量精度。
[0004] 现有技术中，针对以上研宄方向，能够通过对水下实验体的运动控制，利用动量定 理和动量矩定理，对六自由度运动的水下实验体建立了精确的运动学和动力学方程。能够 通过进行中性浮力实验，对补偿阻力的推进器的控制方法进行了研宄与仿真，详细给出推 力器控制回路的建立方法，推力器执行机构的数学模型。能够通过水下实验体在水中运动 的阻力特性，指出阻力变化的规律，分析实验体深度和运动速度对阻力系数的影响。能够通 过用于水下实验体的视觉测量系统，解决传统摄像机三角测量原理无法实现光线折射情况 下物体位置准确测量的问题，完成水中实验体的定位解算，求得物体质心坐标。能够通过中 性浮力环境中液体阻力的分析与估算，采用数值计算与仿真软件相结合的方法估算实验体 所受水阻力。研宄涉及复杂外形实验体的阻力估算，首先利用商业软件Fluent仿真得到实 验体的阻力系数插值表，再由测量得到的实验体速度、攻角插值得到阻力系数，最后利用公 式解算阻力系数。还能够通过设计了 PID神经网络控制算法，实现PID参数的在线调整，保 证了基于PID神经网络控制的阻力效应补偿方案具有可行性。但以上的研宄方向和研宄结 论的都是对现有技术的细化和深入，以及精度的提高，要求高，原理复杂，操作繁琐，实施难 度大；并且均没有涉及到对阻力效应补偿方法的革新和变化，也没有通过实时控制的角度 参数对阻力效应补偿进行分析，无法满足混合悬浮系统中要对阻力进行补偿的可靠性和及 时性的需求。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可靠性高，原理简单，从角度参量的 影响出发，以实时测量为手段，对阻力进行精确配平补偿的混合悬浮环境中的阻力效应补 偿方法。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] 本发明混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，包括，
[0008] 第一步，通过实测或仿真模拟得到被测物体的动力学参数和以速度、角速度、攻角 或侧滑角为变量得到动力学参数的拟合函数；并在建立坐标系后得到被测物体的运动方 程；
[0009] 第二步，通过被测物体在混合悬浮实验环境中运动，测量得到被测物体当前时刻 的测量运动参数；
[0010] 第三步，通过将第二步中的测量运动参数代入到运动方程中得到其他的未知运动 参数，将测量运动参数和得到的未知运动参数代入拟合函数，分别得到阻力系数和阻力矩 系数，从而得到阻力和阻力矩；
[0011] 第四步，根据被测物体的推进器安装和布设方式得到推力分配矩阵，根据推力分 配矩阵向每个推进器进行推力分配，使推进器产生相应的推力和推力矩；其中，每个推力器 所分派的推力不大于其所能输出推力的极限值，总推力和第三步中得到的阻力大小相等方 向相反；
[0012] 第五步，在设定的时间步长内重复第二步到第四步，使推进器推力和推力矩逐渐 接近阻力和阻力矩，完成阻力效应的补偿。
[0013] 优选的，第二步中，测量运动参数包括姿态角、速度、角速度、加速度和角加速度； 姿态角包括俯仰角，滚转角和偏航角。
[0014] 优选的，第三步中，通过阻力系数和阻力矩系数根据如下表达式分别得到阻力和 阻力矩；
[0015] 被测物体在混合悬浮环境中的阻力表达式为，
[0016]
【主权项】
1. 混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，包括， 第一步，通过实测或仿真模拟得到被测物体的动力学参数和以速度、角速度、攻角或侧 滑角为变量得到动力学参数的拟合函数；并在建立坐标系后得到被测物体的运动方程； 第二步，通过被测物体在混合悬浮实验环境中运动，测量得到被测物体当前时刻的测 量运动参数； 第三步，通过将第二步中的测量运动参数代入到运动方程中得到其他的未知运动参 数，将测量运动参数和得到的未知运动参数代入拟合函数，分别得到阻力系数和阻力矩系 数，从而得到阻力和阻力矩； 第四步，根据被测物体的推进器安装和布设方式得到推力分配矩阵，根据推力分配矩 阵向每个推进器进行推力分配，使推进器产生相应的推力和推力矩；其中，每个推力器所分 派的推力不大于其所能输出推力的极限值，总推力和第三步中得到的阻力大小相等方向相 反； 第五步，在设定的时间步长内重复第二步到第四步，使推进器推力和推力矩逐渐接近 阻力和阻力矩，完成阻力效应的补偿。
2. 根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第二步 中，测量运动参数包括姿态角、速度、角速度、加速度和角加速度；姿态角包括俯仰角，滚转 角和偏航角。
3. 根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第三步 中，通过阻力系数和阻力矩系数根据如下表达式分别得到阻力和阻力矩； 被测物体在混合悬浮环境中的阻力表达式为， 物体在混合悬浮环境中沿各轴向的阻力矩表达式分别为，
其中，P为液体密度，L为被测物体长度，S为被测物体最大横截面积，V为由第二步测 得的物体运动速度，Cx为阻力系数，!^、!^、!^分别为各轴向的阻力矩系数。
4. 根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第四步 中，推力分配矩阵由如下等式得到， τ = LT ； 其中，τ是合推力和推力矩，L为推力分配矩阵，T为推进器推力。
5. 根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第五步 中，完成阻力效应补偿时的判断条件如下， 当被测物体不受外力和外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持静止或匀速直线运动和 匀角速度运动； 或当被测物体受恒定外力作用时，在混合悬浮环境中保持匀加速直线运动； 或当被测物体受恒定外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持匀角加速转动运动。
【专利摘要】本发明混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，包括，第一步，通过实测或仿真模拟得到被测物体的动力学参数和动力学参数的拟合函数；并在建立坐标系后得到被测物体的运动方程；第二步，通过被测物体在混合悬浮实验环境中运动，测量得到被测物体当前时刻的测量运动参数；第三步，通过将测量运动参数代入到运动方程中得到其他的未知运动参数，将测量运动参数和得到的未知运动参数代入拟合函数，分别得到阻力系数和阻力矩系数，从而得到阻力和阻力矩；第四步，根据推力分配矩阵向每个推进器进行推力分配，使推进器产生相应的推力和推力矩；第五步，在设定的时间步长内重复第二到第四步，使推进器推力和推力矩逐渐接近阻力和阻力矩，完成阻力效应的补偿。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104656445
【申请号】CN201510023272
【发明人】朱战霞, 宋江舟, 魏奇章, 毛正阳, 袁建平, 罗建军, 方群
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月16日