一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法技术方案

技术编号:15487788 阅读:229 留言:0更新日期:2017-06-03 05:27
本发明专利技术提供一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法,通过PC104、数据采集板、机械手电机、螺旋桨推进器、磁罗经、多普勒测速仪等设备构建水下无人航行器控制系统,获取系统各自由度的姿态信息,同时进行硬件层面的控制;根据航行器和机械手的位置姿态建立内部扰动力观测器,依据牛顿‑欧拉方法观测各时刻因系统姿态变化产生的倾斜力矩和耦合力矩;建立航行器和机械手的协调运动控制器,在控制中对航行器作业过程中受到的机械手扰动力进行补偿,实现作业过程中航行器稳定和精确控制。本发明专利技术可实际应用于UVMS控制系统设计,对于水下机器人在自主作业和遥控作业方面具有重要意义,用以实现水下无人航行器的稳定的高精度作业。

【技术实现步骤摘要】
一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法
本专利技术涉及一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法。
技术介绍
随着海洋开发与研究的日益蓬勃开展,水下无人航行器搭载机械手在进行水下打捞、援潜救生、海底设施的维护与装置的回收、海底生物及岩石标本的采样等方面得到了越来越广泛地应用。首先,虽然目前搭载机械手的水下航行器通过遥控操作可以完成大量的作业工作,但其在结构化环境中的作业能力等方面存在较大缺陷,作业范围也受到较大限制,并且在水下机器人的作业中如果单纯依赖人的遥控,将难以实现海流扰动中机械手末端的准确定位和作业。专利文献“一种ROV水下机器人的运动控制方法(CN105404303A)”和“浮游式水下机器人的S面控制方法(CN1718378A)”,涉及到的水下机器人运动控制方法,虽然也可以完成水下机器人的运动控制,但由于作业过程中机械手的运动会给航行器带来较大的扰动作用,并且扰动作用力根据作业姿态随时变化,所以上述根据干扰误差反馈进行补偿的控制方式难以实现作业过程中的航行器稳定控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法,能够通过航行器和机械手当前的位置和姿态的反馈实时估计作业过程中水下无人航行器所受到的机械手的扰动力,并在控制中进行补偿,从而提高作业精度。该方法用于水下无人航行器的遥控作业可以减小操作人员的操作时间,提高遥控精度,用于水下无人航行器的自主作业可以提高控制精度,尤其是机械手末端的控制精度,实现航行器的自主作业。本专利技术的目的是这样实现的:包括水下无人航行器控制系统和协调控制器,步骤一、协调运动控制器通过隔离串口板采集水下无人航行器控制系统中的多普勒测速仪和磁罗经的数据,并通过水下无人航行器控制系统中的PC104模块进行船位推算,获得水下无人航行器当前位姿,通过水下无人航行器控制系统中的can数据采集板、机械手直流伺服电机驱动器和编码器获取机械手各关节当前姿态;步骤二、建立扰动力观测器,并设计协调控制器的两条控制率;步骤三、通过协调控制器的两条控制率控制并控制水下无人航行器和机械手的运动。本专利技术还包括这样一些结构特征:1.步骤二中所述建立扰动力观测器是机械手对航行器的扰动力观测器,其中,倾斜力矩观测公式是:式中,和分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力的矩阵表达形式,0RV为艇体坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵和分别为机械手第i个广义连杆的重心和浮心相对于水下无人航行器的位置,而和分别为机械手艇体重心和浮心相对于水下无人航行器的位置,mig和FBi分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力;机械手和水下无人航行器的耦合运动造成的耦合力的观测公式是:式中:0f1,0和0n1,0是水下无人航行器在手臂基关节受到的机械手的耦合作用力,1f1,0和1n1,0是水下无人航行器在手臂基座受到的机械手的耦合作用力,0R1是机械手基关节的随动坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵,0f1,0和0n1,0将由下式递推得到:式中:ifi,i-1和ini,i-1为第i个广义连杆在其第i关节对第i-1关节的约束反力,iri和irci分别为机械手第i个广义连杆在其坐标系下的位置矢量和中心位置矢量,iFi,i和iMi,i分别为机械手第i个广义连杆在水中运动所受到的流体作用力,ifi*和分别为机械手第i个广义连杆质心的惯性力和力矩,可以通过牛顿-欧拉方程递推得到;基于倾斜力矩观测公式、机械手和水下无人航行器的耦合运动造成的耦合力的观测公式得出扰动力矩的观测公式是:2.所设计协调运动控制器是水下无人航行器和机械手的协调运动控制器,包括运动学控制律和动力学控制律两部分。3.所述动力学控制率为:式中:代表质量、惯性以及附加质量的观测矩阵,代表由质量和附加质量引起的科氏力的观测矩阵,代表由流体粘性引起的阻力的观测矩阵,Kd和Kp代表微分系数和比例系数,q代表实际位置量,qd代表期望位置量,代表位置偏差。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:本专利技术根据水下机器人精确作业控制的需要设计一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调运动控制方法,通过测量和估计作业过程中水下无人航行器所受到的机械手的扰动力,并进行补偿,保证水下无人航行器的平稳运动,实现精确的定位和作业控制。该专利技术具有控制准确、适应性强、鲁棒性高等优点。附图说明图1是水下无人航行器控制系统的内部硬件系统框图;图2是水下无人航行器协调控制的流程图;图3是水下无人航行器和机械手的协调运动控制器框图;图4(a)至图4(d)分别是无协调控制时观测到机械手的各关节位移、艇体产生的纵摇和横摇、机械手运动产生的倾斜力矩以及机械手运动产生的耦合力对水下无人航行器的干扰力;图5是应用本专利技术对水下无人航行器和机械手协调运动的控制结果;图6(a)至图6(f)分别是观测得到的协调运动过程中机械手各关节位移、艇体姿态、机械手运动中观测到的扰动力、机械手运动中观测到的扰动力矩、机械手运动中产生的耦合力、机械手运动中产生的倾斜力矩对水下无人航行器的扰动力;具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术为:a、水下无人航行器机械手系统的手艇协调控制方法由水下无人航行器控制系统和协调控制控制器两部分组成。水下无人航行器控制系统主要由PC104核心模块、I/O板、can数据采集板、隔离串口板、数据采集板、直流伺服电机控制板、机械手直流伺服电机驱动器、编码器、机械手电机、推进器螺旋桨及其电机驱动器、磁罗经、深度计、多普勒测速仪组成。控制器通过隔离串口板采集多普勒测速仪和磁罗经的数据,并通过PC104模块进行船位推算,获得水下无人航行器当前位姿;进而建立扰动力观测器,并设计协调运动控制器控制机械手的运动;通过can数据采集板、机械手直流伺服电机驱动器和编码器获取机械手各关节当前姿态,并控制机械手的运动;通过直流伺服电机控制板、推进器螺旋桨及其电机驱动器控制水下无人航行器螺旋桨的运动。b、所建立扰动力观测器为机械手对航行器的扰动力观测器。扰动力主要包括机械手和水下无人航行器的耦合运动造成的耦合力,作业过程中系统浮心和重心变化派生的倾斜力矩两部分。其中倾斜力矩可以结合水下无人航行器和机械手广义连杆的当前位置姿态,通过下面的公式来观测:式中,和分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力的矩阵表达形式,0RV为艇体坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵;和分别为机械手第i个广义连杆的重心和浮心相对于水下无人航行器的位置,而和分别为机械手艇体重心和浮心相对于水下无人航行器的位置,mig和FBi分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力。机械手和水下无人航行器的耦合运动造成的耦合力可以通过下面的公式来观测:式中0f1,0和0n1,0是水下无人航行器在手臂基座受到的机械手的耦合作用力,1f1,0和1n1,0是水下无人航行器在手臂基座受到的机械手的耦合作用力。0R1是机械手基关节的随动坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵。0f1,0和0n1,0将由下式递推得到:式中ifi,i-1和ini,i-1为第i个广义连杆在其第i关节对第i-1关节的约束反力(力矩)。iri和irci分别为机械手第本文档来自技高网...
一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法

【技术保护点】
一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法,其特征在于:包括水下无人航行器控制系统和协调控制器,步骤一、协调运动控制器通过隔离串口板采集水下无人航行器控制系统中的多普勒测速仪和磁罗经的数据,并通过水下无人航行器控制系统中的PC104模块进行船位推算,获得水下无人航行器当前位姿,通过水下无人航行器控制系统中的can数据采集板、机械手直流伺服电机驱动器和编码器获取机械手各关节当前姿态;步骤二、建立扰动力观测器,并设计协调控制器的两条控制率;步骤三、通过协调控制器的两条控制率控制并控制水下无人航行器和机械手的运动。

【技术特征摘要】
1.一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法,其特征在于:包括水下无人航行器控制系统和协调控制器,步骤一、协调运动控制器通过隔离串口板采集水下无人航行器控制系统中的多普勒测速仪和磁罗经的数据,并通过水下无人航行器控制系统中的PC104模块进行船位推算,获得水下无人航行器当前位姿,通过水下无人航行器控制系统中的can数据采集板、机械手直流伺服电机驱动器和编码器获取机械手各关节当前姿态;步骤二、建立扰动力观测器,并设计协调控制器的两条控制率;步骤三、通过协调控制器的两条控制率控制并控制水下无人航行器和机械手的运动。2.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法,其特征在于:步骤二中所述建立扰动力观测器是机械手对航行器的扰动力观测器,其中,倾斜力矩观测公式是:式中,和分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力的矩阵表达形式,0RV为艇体坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵和分别为机械手第i个广义连杆的重心和浮心相对于水下无人航行器的位置,而和分别为机械手艇体重心和浮心相对于水下无人航行器的位置,mig和FBi分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力;机械手和水下无人航行器的耦合运动造成的耦合力的观测公式是:式中:0f1,0和0n1,0是水下无人航行器在手臂基关节受到的机械手的耦合作用力,1f1,0和1n1,0是水下无人航行器在手臂基座受到的机械手的耦合作用力,0R1是机械手基关节的随动坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵,0f1,0和0n1,0将由下式递推得到:

【专利技术属性】
技术研发人员:黄海李冀永李宏伟张国成李岳明张强周浩周则兴许锦宇文享龙
申请(专利权)人:哈尔滨工程大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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