水下机器人推进器的自适应控制方法与流程

本发明涉及水下机器人的动力控制技术领域，尤其涉及一种水下机器人推进器的自适应控制方法。

背景技术：

目前，水下机器人(rov)广泛应用于水下观测、救援、渔业及工程检修等领域。作为运动核心，现有rov系统的动力控制基本都基于固定式推进器实现对应的运动，例如通过水平摆放的推进器实现水平前进、后退等运动，此时垂直推进器无法发挥作用；这导致rov在水平运动时，垂直推进器沦为摆设；同样地，通过垂直推进器进行垂直方向的运动时，水平推进器也无法发挥作用。也就是说，水平推进器和垂直推进器的功能无法相互转换，这造成了动力资源的浪费，不能最大限度的发挥所有推进器的功效。

因此，针对以上不足，需要提供一种控制方法，使同一个推进器可以自适应的实现对rov不同运动方向的驱动，提高对推进器的利用率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中rov不同方向的运动需要固定配置推进器，导致推进器的利用率低的缺陷，提供一种水下机器人推进器的自适应控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下机器人推进器的自适应控制方法，包括：

将推进器可旋转的安装于机器人本体上；

采用动力控制单元接收rov的姿态运动指令，并首先根据所述姿态运动指令控制推进器进行相应方向及角度的旋转；然后，基于姿态运动指令进行计算，获得对推进器的控制指令，从而实现对推进器的自适应控制。

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，

所述根据所述姿态运动指令控制推进器进行相应方向及角度的旋转包括，根据所述姿态运动指令将控制器由当前方位旋转至目标方位；

所述姿态运动包括翻滚运动，俯仰运动，偏航运动，浮潜运动，进退运动及横移运动。

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，所述获得对推进器的控制指令包括，基于所述推进器的目标方位进行判断，获得推进器的运动影响系数矩阵。

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，所述推进器的运动影响系数矩阵motor_param为：

其中r为翻滚影响系数，p为俯仰影响系数，y为偏航影响系数，t为浮潜影响系数，f为进退影响系数，l为横移影响系数；其中序列号1，2，3，……，n，表示被控制推进器的顺序号；

运动影响系数矩阵中影响系数的取值均为-1，0或1，其中-1表示反向旋转，0表示无影响，1表示正向旋转。

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，以三个推进器为例，一号推进器和二号推进器当前方位沿水平方向并行布置，对进退及偏航运动产生影响，并且一号推进器为正桨，二号推进器为反桨；三号推进器当前方位处于一号推进器和二号推进器之间的中心对称线上，对浮潜运动有影响，则三个推进器的当前运动影响系数矩阵为：

若将三号推进器旋转至目标方位，所述目标方位与一号推进器和二号推进器方向一致，则三个推进器的运动影响系数矩阵为：

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，所述获得对推进器的控制指令还包括：获得对推进器的pwm控制值。

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，所述对推进器的pwm控制值通过以下方法计算获得：

设定用户的姿态运动指令为input_in，

式中roll_in为翻滚运动指令，pitch_in为俯仰运动指令，yaw_in为偏航运动指令，throttle_in为浮潜运动指令，forward_in为进退运动指令，lateral_in为横移运动指令；

input_in为6*1矩阵，元素区间为[-1,1]；

桨叶类型参数矩阵motor_reverse＝[λ1λ2...λn]，其中桨叶类型参数λ元素取值为-1或者1；-1表示反桨，1表示正桨；

则所述pwm控制值的信号调整系数thrust_out_calc为：

thrust_out_calc＝motor_reverse.*(motor_param*input_in)；

进而获得所述pwm控制值pwm_value为：

pwm_value＝(pwm_max+pwm_min)/2+(pwm_max-pwm_min)/2*thrust_out，

式中pwm_max为pwm控制值的最大值，pwm_min为pwm控制值最小值，推进器影响参数thrust_out为：

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，所述推进器通过旋转轴与机器人本体连接。

在根据本发明所述的水下机器人推进器的自适应控制方法中，所述旋转轴通过电机的输出轴带动旋转，动力控制单元根据rov的姿态运动指令进行计算获得对电机的控制指令。

实施本发明的水下机器人推进器的自适应控制方法，具有以下有益效果：本发明方法的实施基于待控制推进器与机器人本体的可旋转连接，它将推进器作为控制对象，在获得机器人当前姿态运动需求的基础上，调整推进器与机器人本体的连接方位，从而使推进器能够自适应的为机器人提供当前所需方向的驱动力。

本发明改变了现有机器人本体上推进器固定用于提供某个方向驱动力的现状，可根据姿态运动的控制需要，适应性调整推进器的设置方位，为当前的运动提供驱动力。本发明方法可使一个推进器根据需要提供多种运动姿态的驱动力，在推进器资源有限的情况下，能最大限度的发挥推进器的利用率，确保动力资源的充分使用。

附图说明

图1为根据本发明的水下机器人推进器的自适应控制方法的示例性框图；

图2为以三个推进器为例的示例性方位图；

图3为在图2的基础上，将三号推进器进行旋转获得的三个推进器示例性方位图；

图4为本公开翻滚实施例中三个推进器的示例性方位图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

具体实施方式、本发明提供了一种水下机器人推进器的自适应控制方法，结合图1所示，包括：

将推进器可旋转的安装于机器人本体上；

首先控制终端向机器人本体的动力控制单元发送姿态运动指令，采用动力控制单元接收rov的姿态运动指令，并首先根据所述姿态运动指令控制推进器进行相应方向及角度的旋转；然后，基于姿态运动指令进行计算，获得对推进器的控制指令，从而实现对推进器的自适应控制。

本实施方式中，动力控制单元接收到姿态运动指令后，通过计算获得对推进器的控制指令，从而实现机器人在水中的姿态运动。

当使用场景动力资源有限的情况下，本发明通过对推进器的安装方位进行控制，能为机器人的任何一种姿态运动提供驱动力。假设机器人本体上只设置一个推进器，理论上将该推进器进行方位调整后，可以为机器人的六种姿态运动：翻滚运动，俯仰运动，偏航运动，浮潜运动，进退运动及横移运动中的任何一种提供驱动力。这种方式，极大的提高了推进器的利用率，可使推进器在任何姿态运动需求下，不被搁置，从而使动力资源得到最大限度的使用。

进一步，所述根据所述姿态运动指令控制推进器进行相应方向及角度的旋转包括，根据所述姿态运动指令将控制器由当前方位旋转至目标方位；

所述姿态运动包括翻滚运动，俯仰运动，偏航运动，浮潜运动，进退运动及横移运动。

例如，结合图2和图3所示，在图2中，三号推进器3用于提供浮潜运动的驱动力，若当前姿态运动指令为进退运动，可将三号推进器3的方位旋转至图3所示方位，与一号推进器1和二号推进器2共同为进退提供驱动力。其它运动形式对推进器的方位调整，与此类似。

进一步，为了计算对推进器的pwm控制值，需要首先确定推进器的运动影响系数矩阵：

所述获得对推进器的控制指令包括，基于所述推进器的目标方位进行判断，获得推进器的运动影响系数矩阵。

本实施方式可以用于对一个推进器进行控制，也可以应用于同时对多个推进器进行控制，多个推进器的控制情形，可通过下面对pwm控制值的计算方法，同时获得对不同推进器的最终pwm控制值。

进一步，所述推进器的运动影响系数矩阵motor_param为：

其中r为翻滚影响系数，p为俯仰影响系数，y为偏航影响系数，t为浮潜影响系数，f为进退影响系数，l为横移影响系数；其中序列号1，2，3，……，n，表示被控制推进器的顺序号；

运动影响系数矩阵中影响系数的取值均为-1，0或1，其中-1表示反向旋转，0表示无影响，1表示正向旋转。

所述运动影响系数矩阵motor_param为n*6矩阵，n表示推进器数量。

上述运动影响系数的取值取决于推进器在机器人本体结构上的初始布局，运动影响系数矩阵体现了推进器的目标摆放方位对各个方向运动姿态产生的影响。运动影响系数矩阵的引入，实现了对单个推进器在水下前进后退、上浮下沉及俯仰等运动方向的转动控制。

本实施方式中，根据实际推进器的驱动方式可修改对应的运动影响系数，它能够实现垂直推进器转换为水平推进器使用，从而增大水平方向的运动动力；水平推进器转为垂直推进器的情况同理。

再进一步，结合图2和图3所示，对运动影响系数的取值方法进行进一步的说明：

图2中，以三个推进器为例，一号推进器和二号推进器当前方位沿水平方向并行布置，其对进退及偏航运动产生影响，并且一号推进器为正桨，二号推进器为反桨；三号推进器当前方位处于一号推进器和二号推进器之间的中心对称线上，对浮潜运动有影响，则三个推进器的当前运动影响系数矩阵为：

若将三号推进器旋转至目标方位，所述目标方位与一号推进器和二号推进器方向一致，如图3所示，则三个推进器的运动影响系数矩阵为：

由此，三号推进器旋转后变换为水平推进器，能与一号推进器和二号推进器共同增加水平方向的运动动力。

图3中，三号推进器的中心线在水下机器人的中心垂直面上，所以对于偏航运动不起作用，只对进退起作用。相应运动影响系数改变后，当forward_in进退输入时，三号推进器也开始旋转，提供动力。

再进一步，所述获得对推进器的控制指令还包括：获得对推进器的pwm控制值。在确定了推进器的运动影响系数矩阵后，可进一步计算推进器的pwm控制值。

作为示例，所述对推进器的pwm控制值通过以下方法计算获得：

设定用户的姿态运动指令为input_in，

式中roll_in为翻滚运动指令，pitch_in为俯仰运动指令，yaw_in为偏航运动指令，throttle_in为浮潜运动指令，forward_in为进退运动指令，lateral_in为横移运动指令；

其中input_in为6*1矩阵，元素区间为[-1,1]；

由于推进器本身存在正桨和反桨之分，因此，引入桨叶类型参数矩阵motor_reverse＝[λ1λ2...λn]，其中桨叶类型参数λ元素取值为-1或者1；-1表示反桨，1表示正桨；桨叶类型参数矩阵为1*n矩阵；

则所述pwm控制值的信号调整系数thrust_out_calc为：

thrust_out_calc＝motor_reverse.*(motor_param*input_in)；

进而获得所述pwm控制值pwm_value为：

pwm_value＝(pwm_max+pwm_min)/2+(pwm_max-pwm_min)/2*thrust_out，

式中pwm_max为pwm控制值的最大值，pwm_min为pwm控制值最小值，推进器影响参数thrust_out为：

考虑到推进器的pwm控制值应该在工作范围[pwm_min,pwm_max]内，因此控制thrust_out值区间为[-1,1]。

pwm控制值pwm_value的最终形式是[pwm1,pwm2,···,pwmn]的1*n矩阵，pwmn表示第n号推进器的pwm输出值。

作为示例，结合图2所示三个推进器框架，motor_reverse＝[-111]。

下面举例说明pwm控制值pwm_value的计算过程：

假设，input_in＝[000010]^t，motor_reverse＝[1-11]，pwm_max＝1900，pwm_min＝1100；推进器为双向旋转，最小值时正转，最大值时反转。则对于图2所示，thrust_out_calc＝[1-10]；则有：

pwm_value＝(1900+1100)/2+(1900-1100)/2*[1-10]＝[190011000]；

而对于图3所示，则有：

pwm_value＝(1900+1100)/2+(1900-1100)/2*[1-11]＝[190011001900]，

图3中，三号推进器最终与一号推进器和二号推进器产生进退方向的合力，推动机器人运动。

下面对本公开中推进器进行翻滚运动的实施例进行说明：

图4所示为三个推进器的初始布局，将一号推进器1和二号推进器2旋转为水平推进器后，机器人可以产生翻滚运动；一号推进器1为正桨，二号推进器2为反桨；旋转后三个推进器的运动影响系数矩阵motor_param为：

由于需要扭矩才可以产生翻滚运动，三号推进器3与一号推进器1和二号推进器2不在同一条直线上，其位于机器人本体的水平中心线上，因此，三号推进器3对翻滚运动没有影响。

当输入input_in＝[100010]^t时，存在翻滚和进退输入，计算获得：

thrust_out_calc＝[-1-10]，

motor_reverse＝[1-11]，

pwm_value＝(1900+1100)/2+(1900-1100)/2*[-1-10]＝[110011000]；

此时，一号推进器1和二号推进器2产生相反的推力，使机器人产生扭矩，实现翻滚。

作为示例，所述推进器通过旋转轴与机器人本体连接。为了实现对推进器的自适应控制，需要推进器可以满足向任意方向旋转的要求。例如，推进器可以通过万向联轴器与机器人本体连接。

再进一步，所述旋转轴通过电机的输出轴带动旋转，动力控制单元根据rov的姿态运动指令进行计算获得对电机的控制指令。包括，根据姿态运动指令需要的推进器方位设置，判断目标推进器需要旋转的方向及角度，据此对电机输出控制指令，使电机能带动目标推进器旋转至目标方位。对于推进器向目标方位的旋转，可以通过电机输出轴带动，例如采用步进电机，根据旋转角度对电机进行控制。

综上所述，本发明方法通过控制推进器转动，再结合由于推动器转动带来的各影响系数的变化，能够计算出对推进器进行驱动控制的pwm值；它实现了对各推进器驱动方位即时配置情况下的输出控制值的准确计算，有利于提高推进器的工作效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。