一种用于水下机器人群协同控制的通信装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于水下机器人群协同控制的通信装置与方法。
【背景技术】
[0002] 多个水下机器人的协同控制是多机器人协调合作中的一个典型问题。多个水下机 器人的协同控制可以完成单个机器人无法完成的作业任务，显著提高任务的完成效率。虚 拟结构法和跟随领航者方法是当前主要采用的方法。虚拟结构法要求机器人以刚体上的相 应点的位置和姿态信息作为各自的跟踪目标来形成一定的队形，机器人之间存在较强的耦 合关系，无法实现灵活的队形变换。而跟随领航者方法要求控制一台机器人以一定的角度 和距离跟踪一个或者几个机器人，能够实现编队变形或队形变换，对障碍具有好的适应性， 但要求机器人间的实时通信，对角度和距离测量传感器的性能要求很高，随着距离增加通 信量急剧增大。
[0003] 本发明提供一种用于水下机器人群协同控制的通信装置与方法，采用一种主从递 阶结构协调控制方法，可以根据不同的作业任务，通过协调控制器实现路径规划。将整个机 器人群在空间上分为若干簇，每簇选定一个通讯能力强的机器人作为该簇的簇长，只有簇 长之间进行通信以协调每簇行为，簇间按照刚性结构进行协调控制而簇内则按照主从模式 进行协调控制，这样就可以控制大规模的水下机器人群，有益于节省机器人之间的通信量。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于水下机器人群协同控制的通信装置。
[0005] 本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种用于水下机器人群协同控制的通 {目方法。
[0006] 对于用于水下机器人群协同控制的通信装置，本发明采用的技术方案是：包括球 形换能器、水声通信模块、协调控制器、运动控制器；
[0007] 球形换能器、水声通信模块、协调控制器、运动控制器依次连接。
[0008] 作为优选，球形换能器为中心频率为35kHz的全方位球形陶瓷换能器。
[0009] 作为优选，水声通信模块采用的主控芯片为Atmegal6。
[0010] 水声通信模块采用中断方式实现信号的接收和发送，发送功率放大模块为16 : 270变压器，脉冲电压峰峰值约800V;其前端接收端包括低通和带通滤波器以及差分放大 器；水声通信模块为双工模式工作，根据通信协议完成数据帧的组帧和拆帧，完成水声信号 的检测、判断与编码、数据的组包和解码；
[0011] 作为优选，协调控制器采用的主控芯片为Atmegal6。
[0012] 作为优选，协调控制器通过RS232串口通信模块分别与水声通信模块和运动控制 器连接。
[0013] 对于用于水下机器人群协同控制的通信方法，本发明采用的技术方案是包括以下 步骤：
[0014] (1)首先建立两个坐标系，分别为惯性坐标系X-0-Y和机器人本体坐标系X-〇' -y， 机器人在惯性坐标系下的坐标用经度、炜度、高度以及三个方向的旋转角度表示，共6个自 由度；
[0015] 水下机器人动力学方程可以描述为
[0017] u=AF
[0018] 其中M(h)GR6X6为对称正定惯性矩阵，
为离心力和科里奥 利力矩阵，ueR6为控制量，A为控制输入转换矩阵，F为机器人的控制力和力矩，
[0019] 令
，则公式⑴可写为
[0021] 引入状态变量
[0023] 可以将公式（1)写为状态方程形式：
[0025] 其中
[0027] (2)将整个机器人群在空间上分为若干簇，每簇选定一个通讯能力强的机器人作 为该簇的簇长，簇长之间进行通信以协调每簇行为，簇间按照刚性结构进行协调控制而簇 内则按照路径跟踪控制进行协调控制；簇长通信距离远，具有大范围机动能力，簇长的动力 学行为代表了该簇的行为，其他机器人只需按照轨迹跟踪控制方法跟踪预定规划路径就可 以实现路径跟踪。
[0028] 本发明的有益效果是：
[0029] 采用的球形换能器具有全方位通信能力，不受机器人运动姿态的约束。协调控制 器采用的主从递阶结构协调控制方法，通过协调控制器实现路径规划，将整个机器人群在 空间上分为若干簇，每簇选定一个通讯能力强的机器人作为该簇的簇长，只有簇长之间进 行通信以协调每簇行为，簇间按照刚性结构进行协调控制而簇内则按照主从模式进行协调 控制，这样就可以控制大规模的机器人群，并且有益于减少机器人之间的通信量。采用最优 轨迹跟踪控制方法完成机器人对期望路径的跟踪，可以最大程度节省机器人的能力消耗， 延长工作时间。
【附图说明】
[0030] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 图1是本发明水下机器人群协同控制的通信装置实施例的系统组成。
[0032] 图2是本发明实施例的协调控制器的主从递阶结构协调控制方法。
[0033] 图3是本发明实施例的协调控制器的主从递阶结构协调控制方法的簇间控制结 构。
[0034] 图4是本发明实施例的协调控制器的主从递阶结构协调控制方法的簇内控制结 构。
[0035] 图5是本发明实施例的用于机器人之间相互通信的数据帧协议组成结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 图1是一种用于水下机器人群协同控制的通信装置，由球形换能器、水声通信模 块、协调控制器、运动控制器依次连接而成。
[0037] 球形换能器为中心频率为35kHz的全方位球形陶瓷换能器。
[0038] 协调控制器和水声通信模块均采用主控芯片Atmegal6。
[0039] 水声通信模块采用中断方式实现信号的接收和发送，发送功率放大模块为16 : 270变压器，脉冲电压峰峰值约800V;其前端接收端包括低通和带通滤波器以及差分放大 器；水声通信模块为双工模式工作，根据通信协议完成数据帧的组帧和拆帧，完成水声信号 的检测、判断与编码、数据的组包和解码；
[0040] 协调控制器通过RS232串口通信模块分别与水声通信模块和运动控制器连接。
[0041] 上述通信装置具体使用时，由运动控制器通过电机控制水下机器人的运动姿态， 水下机器人再通过位置和姿态传感器（图1中简写为传感器）将位置和姿态信号反馈到运 动控制器。
[0042] 采用上述通信装置对水下机器人群协同控制的方法，具体步骤如下：
[0043] (1)首先建立两个坐标系，分别为惯性坐标系X-0-Y和机器人本体坐标系x-o' -y， 机器人在惯性坐标系下的坐标用经度、炜度、高度以及三个方向的旋转角度表示，共6个自 由度。水下机器人动力学方程可以描述为
[0045] u=AF
[0046] 其中M(h)GR6X6为对称正定惯性矩阵，
为离心力和科里奥 利力矩阵，ueR6为控制量，A为控制输入转换矩阵，F为机器人的控制力和力矩，
[0047] 令
，则⑴可写为
[0049] 引入状态变量
[0051] 可以将（1)写为状态方程形式：
[0053]其中
[0055] (2)将整个机器人群在空间上分为若干簇，每簇选定一个通讯能力强的机器人作 为该簇的簇长，簇长之间进行通信以协调每簇行为，簇间按照刚性结构进行协调控制而簇 内则按照路径