一种水动力智能机器人及其控制方法与流程

本发明涉及智能设备技术领域，更具体的涉及一种水动力智能机器人及其控制方法。

背景技术：

目前市场上涉及水动力的产品是用于水面表演的“水上飞人”，或者叫水上飞行器、水上飞板(Flyboard)，是来自法国的水上飞行游乐产品，发明人是法国的Franky Zapata(弗兰克·扎帕塔)，其利用脚上喷水装置产生的反冲动力，让人可以在水面之上腾空而起，另外配备有手动控制的喷嘴，用于稳定空中飞行姿态。但是，水上飞板只有2个喷水孔，辅以手持喷嘴，无法实现智能化自动控制，且水上飞板为人工操作，需要更为专业的运动员经过专业训练才可以操作表演，其平衡稳定性全靠专业的运动员，安全问题难以保证。

综上所述，现有技术中的水动力设备，存在不能智能化实现自稳和运行控制的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种水动力智能机器人及其控制方法，用以解决上述背景技术中存在的问题。

本发明实施例提供一种水动力智能机器人，包括：姿态平衡系统、导航系统和动力控制系统；

所述姿态平衡系统，用于通过传感器组和卡尔曼滤波算法，确定水动力平台的实际测量角度和实际测量角速度；并根据实际测量角度、预期角度和实际测量角速度，通过双层PID控制算法，确定水动力平台的姿态平衡和运行控制的最终控制量；

所述导航系统，用于根据UWB标签和毫米波雷达，结合巡航轨迹，通过单层PID控制算法，确定水动力平台的预期角度；

所述动力控制系统：用于根据最终控制量，控制高压水泵通过水动力平台上的喷嘴向下喷水。

进一步地，所述姿态平衡系统包括：传感器组、无线通讯模块和MCU微处理器，所述传感器组和所述无线通讯模块均与所述MCU微处理器电连接。

进一步地，所述传感器组包括：陀螺仪、磁力传感器、加速度传感器和气压传感器。

进一步地，所述姿态平衡系统还包括：电源模块，所述电源模块与所述MCU微处理器电连接。

进一步地，所述导航系统包括：UWB标签、毫米波雷达和第一CPU处理器，所述UWB标签和所述毫米波雷达均与所述第一CPU处理器电连接。

进一步地，所述导航系统还包括：第一RAM存储器，所述第一RAM存储器和所述第一CPU处理器电连接。

进一步地，所述动力控制系统包括：水动力平台、喷嘴、第二CPU处理器、变频器、高压水泵和控制器，所述水动力平台底面的边缘均匀布设有若干喷嘴；

所述第二CPU处理器依次与所述变频器和所述高压水泵电连接，所述第二CPU处理器依次与所述控制器和若干喷嘴电连接。

进一步地，所述喷嘴的数量为四个。

进一步地，所述动力控制系统还包括：第二RAM存储器，所述第二RAM存储器和所述第二CPU处理器电连接。

本发明实施例还提供一种水动力智能机器人的控制方法，包括：

通过传感器组和卡尔曼滤波算法，确定水动力平台的实际测量角度和实际测量角速度；并根据实际测量角度、预期角度和实际测量角速度，通过双层PID控制算法，确定水动力平台的姿态平衡和运行控制的最终控制量；

根据UWB标签和毫米波雷达，结合巡航轨迹，通过单层PID控制算法，确定水动力平台的预期角度；

根据最终控制量，控制高压水泵通过水动力平台上的喷嘴向下喷水。

本发明实施例提供一种水动力智能机器人及其控制方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明的水动力平台上设计有多个喷水孔，且设计有若干喷嘴，若干喷嘴中包括垂直向下的喷嘴，还包括与垂线成一定角度倾斜向下的喷嘴，垂直向下的喷嘴用于提供动力，倾斜向下的喷嘴不但用于提供动力，还辅助兼顾方向调整与运动控制，即从硬件方面保证了水动力平台的稳定与运动控制。本发明通过姿态平衡系统和导航系统控制动力控制系统上的喷嘴向下喷水，从而实现了水动力平台的智能化自稳与运行控制，完全人工智能控制；并且本发明采用智能化控制技术，可以实现位置与高程自动测定、运行姿态预设与控制，其使用更为安全。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种水动力智能机器人的硬件结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种水动力智能机器人的外形示意图；

图3为本发明实施例提供的一种水动力智能机器人软件流程示意图；

图4为本发明实施例提供的双层PID算法原理示意图。

附图标记说明：

1、水动力平台；2、喷嘴；3、传感器组；4、高压水管；5、高压水泵；6、控制器件及变频器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

参见图1～3，本发明实施例提供一种水动力智能机器人，该机器人包括：姿态平衡系统、导航系统和动力控制系统三部分。

上述姿态平衡系统，用于通过传感器组3和卡尔曼滤波算法，确定水动力平台的实际测量角度和实际测量角速度；并根据实际测量角度、预期角度和实际测量角速度，通过双层PID控制算法，确定水动力平台1的姿态平衡和运行控制的最终控制量(即姿态控制量)。

上述导航系统，用于根据UWB标签和毫米波雷达，结合巡航轨迹，通过单层PID控制算法，确定水动力平台1的预期角度。

上述动力控制系统：用于根据最终控制量，控制高压水泵5通过水动力平台1上的喷嘴2向下喷水。

本发明实施例通过姿态平衡系统和导航系统控制动力控制系统上的喷嘴2向下喷水，从而实现了水动力平台1的智能化自稳与运行控制。

在上述水动力智能机器人技术方案的基础上，本发明还提供了以下进一步限定的技术特征：

进一步地，姿态平衡系统包括：传感器组3、无线通讯模块和MCU微处理器，传感器组3和无线通讯模块均与MCU微处理器电连接；其中，传感器组3包括：陀螺仪、磁力传感器、加速度传感器和气压传感器。姿态平衡系统还包括：电源模块，电源模块与MCU微处理器电连接。

需要说明的是，本发明通过传感器组3获得传感器数据(如角度信息、磁力信息、加速度信息、气压信息)，MCU微处理器通过卡尔曼滤波算法对传感器数据进行处理后，将角度信息和加速度信息通过双层PID算法，获得水动力平台1的姿态控制量，具体地，参见图4，姿态平衡系统的姿态控制包括两层PID环，第一层：通过预期角度和实际测量角度的差值，确定预期角速度；第二层：通过预期角速度和实际测量角速度的差值，确定水动力平台1的姿态控制量。其中，磁力信息，用于修正水动力平台1的姿态信号，气压信息，用于修正水动力平台1的预期角度信息。同时，无线通讯模块的设计可以实现姿态平衡系统与外界其他通讯系统的数据传输。

进一步地，导航系统包括：UWB标签、毫米波雷达和第一CPU处理器，UWB标签和毫米波雷达均与第一CPU处理器电连接。导航系统还包括：第一RAM存储器，第一RAM存储器和第一CPU处理器电连接。

需要说明的是，本发明根据巡航轨迹信息，并通过UWB标签获取水动力平台1的x,y坐标，通过毫米波雷达获得水动力平台1的z坐标，然后第一CPU处理器通过单环PID算法，确定水动力平台1的预期角度，并将预期角度发送至MCU微处理器。其中，在导航系统中为了水动力平台1稳定会输出预期角度做一个限制，但预期角度不超过30°,这个根据实际需求调整。

进而，姿态平衡系统中的MCU微处理器将水动力平台1的姿态控制量发送至导航系统中的第一CPU处理器，第一CPU处理器接着将姿态控制量发送至动力控制系统中的第二CPU处理器。其中，MCU微处理器与第一CPU处理器之间通过USART串口通信。

进一步地，动力控制系统包括：水动力平台1、喷嘴2、第二CPU处理器、变频器、高压水泵5和控制器，水动力平台1底面的边缘均匀布设有若干喷嘴2；第二CPU处理器依次与变频器和高压水泵5电连接，第二CPU处理器依次与控制器和若干喷嘴2电连接。动力控制系统还包括：第二RAM存储器，第二RAM存储器和第二CPU处理器电连接。

本发明实施例的若干喷嘴2中包括垂直向下的喷嘴，还包括与垂线成一定角度倾斜向下的喷嘴，垂直向下的喷嘴用于提供动力，倾斜向下的喷嘴不但用于提供动力，还辅助兼顾方向调整与运动控制。实际使用时，垂直向下的喷嘴数量和位置布局、与倾斜向下的喷嘴数量和位置布局，根据实际需要设定。

具体参见图2，本发明实施例的水动力平台1顶面上设置有传感器组3，水动力平台1底面的边缘均匀布设有四个喷嘴2，喷嘴2通过设置在水动力平台1上的喷孔与高压水管4连通，高压水管4连接高压水泵5，高压水泵5电连接控制器及变频器6。

需要说明的是，第二CPU处理器将姿态控制量转换成变频器信息，通过变频器控制高压水泵5向下喷水，即通过高压水反向冲力使水动力平台1运行；控制器不但可以控制若干喷嘴2的开关状态，还可以控制若干喷嘴2的流速。其中，第一CPU处理器和第二CPU处理器之间通过网卡进行通信。

另外，本发明以水上智能机器人平台为基础，外表装饰以龙、凤、人物等形象，可以进行各种模拟图腾及形象的表演，更好的与文化资源融合，更好的与喷泉水景工程对接。也可以用来搭载操作人员，进行水上表演。还可以搭载游人体验水上飞人的感觉。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种水动力智能机器人的控制方法，参见图1～3，该方法包括：

步骤1：用于通过传感器组3和卡尔曼滤波算法，确定水动力平台的实际测量角度和实际测量角速度；并根据实际测量角度、预期角度和实际测量角速度，通过双层PID控制算法，确定水动力平台1的姿态平衡和运行控制的最终控制量(即姿态控制量)。

步骤2：用于根据UWB标签和毫米波雷达，结合巡航轨迹，通过单层PID控制算法，确定水动力平台1的预期角度。

步骤3：用于根据最终控制量，控制高压水泵5通过水动力平台1上的喷嘴2向下喷水。

具体参见图3，对于步骤1的具体流程如下：

步骤11，启动姿态平衡系统。

步骤12，传感器组自检。

步骤13，传感器组矫正。

步骤14，实时获取水动力平台上传感器组的原始数据。

步骤15，通过卡尔曼滤波算法对原始数据进行处理。

步骤16，通过双层PID控制算法，获得最终控制量，并将最终控制量发送至步骤28。

步骤17，判断姿态平衡系统工作是否结束，如果结束则退出程序，否则重复步骤14～16。

具体参见图3，对于步骤2的具体流程如下：

步骤21，启动导航系统。

步骤22，导航系统自检。

步骤23，启用日志系统。

步骤24，读取巡航轨迹信息。

步骤25，通过毫米波雷达获取z坐标。

步骤26，通过UWB标签获取x,y坐标。

步骤27，通过单环PID控制算法，确定预期角度并发送至步骤16。

步骤28，将最终控制量发送至步骤33。

步骤29，判断导航系统工作是否结束，如果结束则退出程序，否则重复步骤24～28。

具体参见图3，对于步骤3的具体流程如下：

步骤31，启动动力控制系统。

步骤32，电机(变频器)自检。

步骤33，将最终控制量转换成变频器信息。

步骤34，根据变频器信息控制电机(变频器)。

步骤35，判断动力控制系统工作是否结束，如果结束则退出程序，否则重复步骤33～34。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。