一种水下无人机自平衡控制方法及系统技术方案

本申请属于水下探测机器人技术领域，特别涉及一种水下无人机自平衡控制方法及系统。本申请的水下无人机自平衡控制方法包括：步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法及系统可以非常平稳和快速的完成水下无人机在5个自由度上的闭环运动控制，控制系统耦合度高、控制算法易于实现、控制策略简单高效。

A self balancing control method and system for underwater UAVs

The application belongs to the technical field of an underwater detection vehicle, in particular to a self-balancing control method and system for an Underwater Unmanned Aerial vehicle. The self-balancing control method for an Underwater Unmanned Aerial Vehicle (UAV) according to the present application includes: step a: setting at least one propeller propeller with positive and negative rotation on the UAV; step b: transforming the force exerted by the UAV into a resultant force on at least one degree of freedom through a motion degree of freedom control model, wherein the motion degree of freedom corresponds to the resultant force. Step c: Designing a corresponding sub-PID controller according to each degree of freedom of motion; Step d: Calculating the thrust required by at least one propeller propeller with positive and negative rotation by the thrust distribution matrix. The self-balancing control method and system of the application embodiment of the underwater unmanned aerial vehicle can realize the closed-loop motion control of the Underwater Unmanned Aerial Vehicle at five degrees of freedom very smoothly and quickly. The control system has high coupling degree, the control algorithm is easy to realize, and the control strategy is simple and efficient.

【技术实现步骤摘要】
一种水下无人机自平衡控制方法及系统
本申请属于水下探测机器人
，特别涉及一种水下无人机自平衡控制方法及系统。
技术介绍
PID运动控制技术和算法是一种基于反馈的概念以减少不确定性的控制方法与策略，它是目前在工程实际中应用最为广泛的控制调节器。PID控制器(比例－积分－微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制，积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。目前水下机器人运动控制中，多数采用普通PID或PI控制器，且一般主要针对单自由度方向上的闭环控制，其中包括定深PID控制器，负责稳定保持在特定深度上的闭环控制策略；定向PID控制器，负责水下无人机保持特定航向航行的闭环控制策略；姿态稳定PID控制器则负责维持水下无人机机器姿态平稳的闭环控制。在目前的水下无人机闭环控制策略中，定深、定向和姿态稳定PID控制器都是单独功能的控制策略，一般情况下各个PID控制器单独工作，根据具体需求启用1到2个PID控制器，因此很难完成完全的机体自平衡悬浮控制；同时单独控制器所控制的并不是所有的推进器，可能是其中部分的推进器，在结合终端设备给出的对其他推进器的控制信号时，PID的闭环控制效果可能并不明显和有效。
技术实现思路
本申请提供了一种水下无人机自平衡控制方法及系统，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：一种水下无人机自平衡控制方法，包括以下步骤：步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤a中，设置6个可正反转螺旋桨推进器，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力。本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述步骤d还包括：建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，具体为：所述定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID默认共同启动和工作，通过运行状态中的子PID控制器反馈输出的合力始终要与操控终端指令要求的力合并，成为最终的水下无人机刚体运动所需合力。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述步骤d还包括：对每个推力做饱和限制，不能超过极限。本申请实施例采取的又一技术方案为：一种水下无人机自平衡控制系统，包括：可正反转螺旋桨推进器、运动自由度控制模块、子PID控制器和推力分配矩阵计算模块，所述可正反转螺旋桨推进器用于提供推力，驱动水下无人机；所述运动自由度控制模块用于将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；所述子PID控制器与每个运动自由度相对应；所述推力分配矩阵计算模块用于计算可正反转螺旋桨推进器需要的推力。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述可正反转螺旋桨推进器为6个，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力；所述运动自由度控制模块将6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。本申请实施例采取的技术方案还包括：所述的水下无人机自平衡控制系统还包括：推力饱和限制模块，用于对每个推力做饱和限制，不能超过极限；所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID，子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法及系统通过六推水下无人机专用的姿态自平衡闭环运动控制器进行水下无人机的控制，易于编程实现并方便调试修改，可通过水面控制终端的软件中实现该PID控制器的应用，且对水下无人机的硬件系统不造成过多的负担和过高的要求；本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法及系统可以非常平稳和快速的完成水下无人机在5个自由度上的闭环运动控制，控制系统耦合度高、控制算法易于实现、控制策略简单高效。附图说明图1是本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法的流程图；图2是本申请实施例的水下无人机推力分布和5自由度运动显示图；图3是本申请实施例的水下无人机自平衡控制系统的结构示意图。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。请参阅图1，是本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法的流程图。本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法包括以下步骤：步骤100：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；在步骤100中，本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法对水下无人机设置6个可正反转螺旋桨推进器，在力学模型中代表6个外力可对本体进行作用，其中，4个为完全垂直于本体平面的垂直推力，2个为完全平行于本体平面的水平推力。通过力学模型简化过程，可以将其简化为受6个外力作用的刚体结构。请一并参阅图2，图2为水下无人机推力分布和5自由度运动显示图。在图2中，4个垂直推力能够使水下无人机可进行升沉(沿Z轴)、纵倾(绕Y轴旋转)和横摇(绕X轴旋转)这三个自由度上的运动；2个水平推力使得水下无人机可进行平移(沿X轴)和转艏(绕Z轴)这两个自由度上的运动。步骤200：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；在本申请实施例的水下无人机自平衡控制方法中，水下无人机所受的六推作用力转化为在5个自由度方向上的控制模型，6个推进器的推力最终将转化为5个自由度上的合力。水下无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。

【技术特征摘要】
1.一种水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。2.根据权利要求1所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤a中，设置6个可正反转螺旋桨推进器，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力。3.根据权利要求2所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。4.根据权利要求3所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID。5.根据权利要求4所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。6.根据权利要求4或5所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述步骤d还包括：建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，具体为：所述定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID默认共同启动和工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：王盛炜，黄俊平，陈汉良，
申请(专利权)人：深圳市吉影科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44