一种rov水下机器人的运动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种R0V水下机器人的运动控制方法，属于水下机器人控制技术领域。
【背景技术】
[0002]随着人们把目光渐渐投向含有丰富资源的海洋，对水下环境和海底资源的探测成为人们需要解决的首要问题，水下机器人渐渐由此发展起来。当然，除了应用于海洋领域，在小范围水下区域内的水下探测也需要应用水下机器人，例如对河道湖泊水底环境的探测、对大型船体和水库大坝裂缝的检测等，如果让潜水员潜入水下进行检测，不仅每次检测都需花费高价聘请专业的潜水员，而且往往费时费力，效率低下，达不到预期的检测效果；而水下机器人只要有充足的电力供应就能一直工作下去，能很好的胜任强度大、持续时间长的水下作业任务，操作方便，效率高。R0V水下机器人是一种有缆的水下机器人，相对于无缆的采用电池供电的水下机器人能工作更长的时间，且动力源更充足，能执行更加复杂的动作。
[0003]当前既能实现水底探测又能实现贴壁检测的多功能复用R0V水下机器人较少，在这方面还有很大的发展空间，同时，由于水下干扰的复杂性，水下机器人控制系统要保持较好的稳定性、快速性和准确性具有一定的难度。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种R0V水下机器人的运动控制方法，能够实现水底探测和贴壁检测两种功能模式，大大提高了水下机器人在水下工作时的稳定性、快速性和准确性。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种R0V水下机器人的运动控制方法，包括以下步骤:
步骤一，上位PC机程序初始化，并启动水下机器人；
步骤二，水下机器人利用姿态传感器、水深传感器、超短基线以及水下摄像头采集水下信息，并将信息发送给上位PC机；
步骤三，上位PC机选定水下机器人的工作模式，然后根据接收到的水下信息，对预期的位置和姿态信息采用遇限削弱积分的PID算法进行控制运算，并将运算结果发送给水下机器人的控制舱，由控制舱根据运算结果对水下机器人上的推进器进行控制；
其中，水下机器人的工作模式包括水平工作模式和贴壁工作模式；水下机器人上的推进器共八个，分两层分布在机体框架上。
[0006]进一步，上位PC机与水下水下机器人之间通过CAN总线进行通讯，通讯时，将不同的数据信息打包成不同的多帧报文，并依次发送，接收时，对报文一帧一帧进行接收，并对ID标识符进行判断，根据ID标识符代表的数据信息进行数据处理。
[0007]进一步，水平工作模式时对水下机器人的控制方法包括，1)将水下机器人的工作模式调为水平工作模式；2)上位PC机采用遇限削弱积分的PID算法分别计算出八个推进器的PID输出值，实现对水下机器人的姿态和定深闭环控制、航向闭环控制；3)无线手柄控制上位PC机向水下机器人发送下潜、上浮、平动、左转、右转、前进或后退指令信息后，上位PC机通过决策处理获得实现上述动作时对每个推进器施加的推力值，并将每个推进器的推力值和步骤2)计算出的PID输出值进行累加整合，得到推进器的最终推力值；4)根据推进器的特性关系式，上位PC机将最终推力值转换成DAC控制信号后发送给水下机器人的控制舱；5)水下机器人的控制舱通过D/A转换模块将DAC控制信号转换成电压值，控制舱根据电压值控制八个推进器工作。
[0008]其中，所述姿态和定深闭环控制的具体过程为，首先，上位PC机对水下机器人的俯仰角、横滚角和水深进行PID运算，分别得出俯仰角的PID值、横滚角的PID值、水深的PID值；然后，上位PC机对水下机器人上层的每个推进器在实现俯仰角、横滚角、水深动作时的推力方向进行判断，并根据判断结果在俯仰角的PID值、横滚角的PID值、水深的PID值前添加正号或负号；最后，将添加了正号或负号的三项PID值累加整合到推进器上，得到上层每个推进器的PID输出值。
[0009]所述航向闭环控制的具体过程为，首先，上位PC机对水下机器人的航向角进行PID运算，得到航向角PID值；然后，上位PC机对水下机器人下层的每个推进器在实现航向角动作时的推力方向进行判断，并根据判断结果在航向角PID值前添加正号或负号；最后，将添加了正号或负号的航向角PID值累加整合到推进器上，得到下层每个推进器的PID输出值。
[0010]进一步，贴壁工作模式时对水下机器人的控制方法包括，1)上位PC机将水下机器人的工作模式调为水平工作模式，通过无线手柄控制上位PC机先向水下机器人发送翻滚指令，控制水下机器人处于侧翻且底部正对壁面的姿态，再向水下机器人发送垂推指令，从而给水下机器人上层四个推进器附加大小相等的正向推力，控制水下机器人底部的四个万向轮贴合在壁面上，将正向推力锁定不变，上位PC机将水下机器人工作模式切换为贴壁工作模式；2)上位PC机采用遇限削弱积分的PID算法分别计算出下层四个推进器的PID输出值，实现对水下机器人的航向和定深闭环控制；3)通过无线手柄控制上位机向水下机器人发送下潜、上浮、平动、左转、右转、前进或后退指令信息后，上位PC机通过决策处理获得实现上述动作时对下层每个推进器施加的推力值，并将每个推进器的推力值和步骤2)计算出的PID输出值进行累加整合，得到下层每个推进器的最终推力值；4)根据推进器的特性关系式，上位PC机将步骤1)上层推进器锁定推力的推力值和下层每个推进器的最终推力值转换成DAC控制信号后发送给水下机器人的控制舱；5)水下机器人的控制舱通过D/A转换模块将DAC控制信号转换成电压值，控制舱根据电压值控制八个推进器工作。
[0011]其中，所述航向和定深闭环控制的具体过程为，首先，上位PC机对水下机器人的俯仰角和水深进行PID运算，得到俯仰角PID值和水深PID值；然后，上位PC机对水下机器人下层的每个推进器在实现俯仰角、水深动作时的推力方向进行判断，并根据判断结果在俯仰角PID值和水深PID值前添加正号或负号；最后，将添加了正号或负号的俯仰角PID值和水深PID值累加整合到推进器上，得到下层每个推进器的PID输出值。
[0012]进一步，所述姿态传感器采用AHRS航姿参考系统，并融合了电子罗盘、陀螺仪和加速度计。
[0013]进一步，所述水深传感器为压力变送器。
[0014]进一步，所述超短基线采用水下声波进行测距，从而实现对水下机器人的水下定位。
[0015]本发明所达到的有益技术效果:本发明提供的一种R0V水下机器人的运动控制方法，具有两种工作模式，单个水下机器人就能实现原本需要两种水下机器人才能胜任的工作，功能齐全，实用方便，应用范围广泛。水下机器人靠八个推进器就实现了如此多的动作，推进器的利用效率高，节省了机体内部的空间。水下机器人在水下环境的外部干扰下，在实现各个动作时仍能具有较好的稳定性、快速性和准确性。
【附图说明】
[0016]图1本发明控制方法流程示意图；
图2本发明之水下机器人推进器布局结构示意图；
图3本发明之水下机器人水平工作模式流程示意图；
图4本发明之水下机器人贴壁工作模式流程示意图。
【具体实施方式】
[0017]为了能更好的了解本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，现将本发明的附图结合实施例进行更详细的说明。
[0018]下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
[0019]如图1所示，本发明提供一种R0V水下机器人的运动控制方法，包括以下步骤:
步骤一，上位PC机程序初始化，并启动水下机器人；
步骤二，水下机器人利用姿态传感器、水深传感器、超短基线以及水下摄像头采集水下信息，并将信息发送给上位PC机；
步骤三，上位PC机选定水下机器人的工作模式，然后根据接收到的水下信息，对预期的位置和姿态信息采用遇限削弱积分的PID算法进行控制运算，并将运算结果发送给水下机器人的控制舱，由控制舱根据运算结果对水下机器人上的推进器进行控制；
其中，所述姿态传感器采用AHRS航姿参考系统，并融合了电子罗盘、陀螺仪和加速度计，能够直接输出水下机器人当前的航向角、俯仰角、横滚角以及机体在空间坐标系X、Y、Z三个轴上旋转角速度和线加速度；所述水深传感器为压力变送器，上位PC机通过压力变送器测量所受到的水压换算出当前的水深；所述超短基线采用水下声波进行测距，从而实现对水下机器人的水下定位；所述水下摄像头能实时采集水下的图片信息，本发明中，水下机器人上安装了两个水下摄像头，一个用于实时采集机器人前方的水下的信息，另一个用于实时采集机器人下方的水下的信息，若为贴壁工作模式，则采集的是大坝壁面的图像信息，从而实现对水下环境的实时观察和信息获取。
[0020]上位PC机与水下机器人之间通过CAN总线进行通讯，通讯时，将不同的数据信息打包成不同的多帧报文，并依次发送，接收时，对报文一帧一帧进行接收，并对ID标识符进行判断，根据ID标识符代表的数据信息进行数据处理。
[0021]其中，水下机器人的工作模式包括水平工作模式和贴壁工作模式。水下机器人上的推进器共八个，分两层分布在机体框架上，如图2所示，上层四个推进器的编号分别为1、2、3、4，对称安装在长方体机体框架的四个顶角的方位，推进器尾部以相同的空间角度向上指向机体中心的垂直线；下层四个推进器的编号分别为5、6、7、8，同样对称安装在长方体机体框架的四个顶角的方位，四个推进器处于同一个平面内且以一定的角度进行分布。
[0022]在水平平衡姿态下，给予5号和8号推进器正向推力，6号和7号推进器负向推力，则实现右转动作；给予5号和8号推进器负向推力，6号和7号推进器正向推力，贝实现左转动作；给予5号、6号、7号和8号推进器正向推力，则实现前进动作；给予5号、6号、7号和8号推进器负向推力，则实现后退动作；给予1号、2号、3号和4号推进器正向推力，则实现下潜动作；给予1号、2号、3号和4号推进器负向推力，则实现上浮动作；给予1号和4号推进器负(正)向推力，2号和3号推进器正(负)向推力，则实现横滚动作；给予1号和2号推进器负(正)向推力，3号和，4号推进器正(负)向推力，则实现俯仰动作。
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