一種rov水下機器人的運動控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種R0V水下機器人的運動控制方法，屬于水下機器人控制技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著人們把目光漸漸投向含有豐富資源的海洋，對水下環境和海底資源的探測成為人們需要解決的首要問題，水下機器人漸漸由此發展起來。當然，除了應用于海洋領域，在小范圍水下區域內的水下探測也需要應用水下機器人，例如對河道湖泊水底環境的探測、對大型船體和水庫大壩裂縫的檢測等，如果讓潛水員潛入水下進行檢測，不僅每次檢測都需花費高價聘請專業的潛水員，而且往往費時費力，效率低下，達不到預期的檢測效果；而水下機器人只要有充足的電力供應就能一直工作下去，能很好的勝任強度大、持續時間長的水下作業任務，操作方便，效率高。R0V水下機器人是一種有纜的水下機器人，相對于無纜的采用電池供電的水下機器人能工作更長的時間，且動力源更充足，能執行更加復雜的動作。
[0003]當前既能實現水底探測又能實現貼壁檢測的多功能復用R0V水下機器人較少，在這方面還有很大的發展空間，同時，由于水下干擾的復雜性，水下機器人控制系統要保持較好的穩定性、快速性和準確性具有一定的難度。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決現有技術中存在的上述缺陷和不足，提供了一種R0V水下機器人的運動控制方法，能夠實現水底探測和貼壁檢測兩種功能模式，大大提高了水下機器人在水下工作時的穩定性、快速性和準確性。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提供一種R0V水下機器人的運動控制方法，包括以下步驟:
步驟一，上位PC機程序初始化，并啟動水下機器人；
步驟二，水下機器人利用姿態傳感器、水深傳感器、超短基線以及水下攝像頭采集水下信息，并將信息發送給上位PC機；
步驟三，上位PC機選定水下機器人的工作模式，然后根據接收到的水下信息，對預期的位置和姿態信息采用遇限削弱積分的PID算法進行控制運算，并將運算結果發送給水下機器人的控制艙，由控制艙根據運算結果對水下機器人上的推進器進行控制；
其中，水下機器人的工作模式包括水平工作模式和貼壁工作模式；水下機器人上的推進器共八個，分兩層分布在機體框架上。
[0006]進一步，上位PC機與水下水下機器人之間通過CAN總線進行通訊，通訊時，將不同的數據信息打包成不同的多幀報文，并依次發送，接收時，對報文一幀一幀進行接收，并對ID標識符進行判斷，根據ID標識符代表的數據信息進行數據處理。
[0007]進一步，水平工作模式時對水下機器人的控制方法包括，1)將水下機器人的工作模式調為水平工作模式；2)上位PC機采用遇限削弱積分的PID算法分別計算出八個推進器的PID輸出值，實現對水下機器人的姿態和定深閉環控制、航向閉環控制；3)無線手柄控制上位PC機向水下機器人發送下潛、上浮、平動、左轉、右轉、前進或后退指令信息后，上位PC機通過決策處理獲得實現上述動作時對每個推進器施加的推力值，并將每個推進器的推力值和步驟2)計算出的PID輸出值進行累加整合，得到推進器的最終推力值；4)根據推進器的特性關系式，上位PC機將最終推力值轉換成DAC控制信號后發送給水下機器人的控制艙；5)水下機器人的控制艙通過D/A轉換模塊將DAC控制信號轉換成電壓值，控制艙根據電壓值控制八個推進器工作。
[0008]其中，所述姿態和定深閉環控制的具體過程為，首先，上位PC機對水下機器人的俯仰角、橫滾角和水深進行PID運算，分別得出俯仰角的PID值、橫滾角的PID值、水深的PID值；然后，上位PC機對水下機器人上層的每個推進器在實現俯仰角、橫滾角、水深動作時的推力方向進行判斷，并根據判斷結果在俯仰角的PID值、橫滾角的PID值、水深的PID值前添加正號或負號；最后，將添加了正號或負號的三項PID值累加整合到推進器上，得到上層每個推進器的PID輸出值。
[0009]所述航向閉環控制的具體過程為，首先，上位PC機對水下機器人的航向角進行PID運算，得到航向角PID值；然后，上位PC機對水下機器人下層的每個推進器在實現航向角動作時的推力方向進行判斷，并根據判斷結果在航向角PID值前添加正號或負號；最后，將添加了正號或負號的航向角PID值累加整合到推進器上，得到下層每個推進器的PID輸出值。
[0010]進一步，貼壁工作模式時對水下機器人的控制方法包括，1)上位PC機將水下機器人的工作模式調為水平工作模式，通過無線手柄控制上位PC機先向水下機器人發送翻滾指令，控制水下機器人處于側翻且底部正對壁面的姿態，再向水下機器人發送垂推指令，從而給水下機器人上層四個推進器附加大小相等的正向推力，控制水下機器人底部的四個萬向輪貼合在壁面上，將正向推力鎖定不變，上位PC機將水下機器人工作模式切換為貼壁工作模式；2)上位PC機采用遇限削弱積分的PID算法分別計算出下層四個推進器的PID輸出值，實現對水下機器人的航向和定深閉環控制；3)通過無線手柄控制上位機向水下機器人發送下潛、上浮、平動、左轉、右轉、前進或后退指令信息后，上位PC機通過決策處理獲得實現上述動作時對下層每個推進器施加的推力值，并將每個推進器的推力值和步驟2)計算出的PID輸出值進行累加整合，得到下層每個推進器的最終推力值；4)根據推進器的特性關系式，上位PC機將步驟1)上層推進器鎖定推力的推力值和下層每個推進器的最終推力值轉換成DAC控制信號后發送給水下機器人的控制艙；5)水下機器人的控制艙通過D/A轉換模塊將DAC控制信號轉換成電壓值，控制艙根據電壓值控制八個推進器工作。
[0011]其中，所述航向和定深閉環控制的具體過程為，首先，上位PC機對水下機器人的俯仰角和水深進行PID運算，得到俯仰角PID值和水深PID值；然后，上位PC機對水下機器人下層的每個推進器在實現俯仰角、水深動作時的推力方向進行判斷，并根據判斷結果在俯仰角PID值和水深PID值前添加正號或負號；最后，將添加了正號或負號的俯仰角PID值和水深PID值累加整合到推進器上，得到下層每個推進器的PID輸出值。
[0012]進一步，所述姿態傳感器采用AHRS航姿參考系統，并融合了電子羅盤、陀螺儀和加速度計。
[0013]進一步，所述水深傳感器為壓力變送器。
[0014]進一步，所述超短基線采用水下聲波進行測距，從而實現對水下機器人的水下定位。
[0015]本發明所達到的有益技術效果:本發明提供的一種R0V水下機器人的運動控制方法，具有兩種工作模式，單個水下機器人就能實現原本需要兩種水下機器人才能勝任的工作，功能齊全，實用方便，應用范圍廣泛。水下機器人靠八個推進器就實現了如此多的動作，推進器的利用效率高，節省了機體內部的空間。水下機器人在水下環境的外部干擾下，在實現各個動作時仍能具有較好的穩定性、快速性和準確性。
【附圖說明】
[0016]圖1本發明控制方法流程示意圖；
圖2本發明之水下機器人推進器布局結構示意圖；
圖3本發明之水下機器人水平工作模式流程示意圖；
圖4本發明之水下機器人貼壁工作模式流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了能更好的了解本發明的技術特征、技術內容及其達到的技術效果，現將本發明的附圖結合實施例進行更詳細的說明。
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明專利進一步說明。
[0019]如圖1所示，本發明提供一種R0V水下機器人的運動控制方法，包括以下步驟:
步驟一，上位PC機程序初始化，并啟動水下機器人；
步驟二，水下機器人利用姿態傳感器、水深傳感器、超短基線以及水下攝像頭采集水下信息，并將信息發送給上位PC機；
步驟三，上位PC機選定水下機器人的工作模式，然后根據接收到的水下信息，對預期的位置和姿態信息采用遇限削弱積分的PID算法進行控制運算，并將運算結果發送給水下機器人的控制艙，由控制艙根據運算結果對水下機器人上的推進器進行控制；
其中，所述姿態傳感器采用AHRS航姿參考系統，并融合了電子羅盤、陀螺儀和加速度計，能夠直接輸出水下機器人當前的航向角、俯仰角、橫滾角以及機體在空間坐標系X、Y、Z三個軸上旋轉角速度和線加速度；所述水深傳感器為壓力變送器，上位PC機通過壓力變送器測量所受到的水壓換算出當前的水深；所述超短基線采用水下聲波進行測距，從而實現對水下機器人的水下定位；所述水下攝像頭能實時采集水下的圖片信息，本發明中，水下機器人上安裝了兩個水下攝像頭，一個用于實時采集機器人前方的水下的信息，另一個用于實時采集機器人下方的水下的信息，若為貼壁工作模式，則采集的是大壩壁面的圖像信息，從而實現對水下環境的實時觀察和信息獲取。
[0020]上位PC機與水下機器人之間通過CAN總線進行通訊，通訊時，將不同的數據信息打包成不同的多幀報文，并依次發送，接收時，對報文一幀一幀進行接收，并對ID標識符進行判斷，根據ID標識符代表的數據信息進行數據處理。
[0021]其中，水下機器人的工作模式包括水平工作模式和貼壁工作模式。水下機器人上的推進器共八個，分兩層分布在機體框架上，如圖2所示，上層四個推進器的編號分別為1、2、3、4，對稱安裝在長方體機體框架的四個頂角的方位，推進器尾部以相同的空間角度向上指向機體中心的垂直線；下層四個推進器的編號分別為5、6、7、8，同樣對稱安裝在長方體機體框架的四個頂角的方位，四個推進器處于同一個平面內且以一定的角度進行分布。
[0022]在水平平衡姿態下，給予5號和8號推進器正向推力，6號和7號推進器負向推力，則實現右轉動作；給予5號和8號推進器負向推力，6號和7號推進器正向推力，貝實現左轉動作；給予5號、6號、7號和8號推進器正向推力，則實現前進動作；給予5號、6號、7號和8號推進器負向推力，則實現后退動作；給予1號、2號、3號和4號推進器正向推力，則實現下潛動作；給予1號、2號、3號和4號推進器負向推力，則實現上浮動作；給予1號和4號推進器負(正)向推力，2號和3號推進器正(負)向推力，則實現橫滾動作；給予1號和2號推進器負(正)向推力，3號和，4號推進器正(負)向推力，則實現俯仰動作。
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