一种水下机器人重心辅助调节系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下机器人重心辅助调节系统及控制方法，姿态检测系统用于检测水下机器人本体姿态；水下机器人运动信息输入模块用于检测水下机器人本体的运动控制信息和搭载水下机器人本体上的水下机械臂的运动控制信息；调节运动控制器根据水下机器人纵倾姿态信息和水下机器人运动控制信息和水下机械臂运动控制信息推导出水下机械臂重心变化趋势和大小，控制丝杠滑块机构并调整水下机器人的重心；丝杠滑块机构是重心辅助调节系统的执行机构。本发明专利技术将电池舱作为调节单元，解决海流外干扰、水下机械臂重心变化对机器人本体影响，能够补偿重心变化对水下机器人本体的干扰，有效解决静态条件下抵抗海流干扰问题。

Gravity assisted adjustment system and control method for an underwater vehicle

The invention relates to a gravity center auxiliary adjustment system and control method for an underwater vehicle. The attitude detection system is used to detect the attitude of the underwater vehicle body; the motion information input module of the underwater vehicle is used to detect the motion control information of the underwater vehicle body and the motion control of the underwater manipulator on the underwater vehicle body. According to the longitudinal attitude information of the underwater vehicle and the motion control information of the underwater robot and the motion control information of the underwater robot arm, the motion controller deduces the change trend and size of the underwater robot arm's gravity center, controls the screw-slider mechanism and adjusts the underwater robot's gravity center; the screw-slider mechanism is the gravity auxiliary adjustment system. Unified executive body. The battery compartment is used as the regulating unit to solve the influence of the ocean current interference and the change of the gravity center of the underwater manipulator on the body of the underwater robot, which can compensate the interference of the change of gravity center on the body of the underwater robot and effectively solve the problem of resisting the ocean current interference under the static condition.

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人重心辅助调节系统及控制方法
本专利技术涉及一种水下机器人重心辅助调节系统，也涉及一种纵倾姿态的控制方法。
技术介绍
随着海洋开发的迅猛发展，无人自主式水下机器人越来越多的被应用到海洋开发和探测过程中，成为国内外研究机构的研究热点。为了节约系统能力，航时更长、航行更远，无人自主式水下机器人一般设计成欠驱动形式，即单推进器加尾部十字舵的形式。由于局部自由度的缺失，使得水下机器人在受到水下海流干扰、自身携带的水下机械臂运动产生的扰动时，为了维持自身的运动稳定性，需要航行一段路程，通过运动抵消外干扰对水下机器人本体产生的影响，这无疑破坏原有的运动状态和预定的轨迹规划。针对此问题，国内外开展许多有益的研究工作。武建国专利技术了一种水下机器人浮力调节装置，利用内外皮囊实现浮力调整，进而调整水下机器人姿态，但这种方式改变水下机器人的重力和浮力的对比关系，必然要牺牲水下机器人在升沉方向的位置才能实现自身稳定问题。谢少荣专利技术了一种水下机器人姿态主动调节系统，该系统包含一个滑动平台和一个转动平台，通过附加负载的变化改变水下机器人重心位置进而补偿外干扰影响，具有很重要的借鉴意义。但该专利技术额外增加了水下机器人的负担，没有有效利用水下机器人自身设备，由于水下机器人结构紧凑，因而造成了水下机器人空间上的浪费。唐智杰等人也专利技术了一种水下机器人姿态内控制系统。它包括：一个主控制器连接调节机构、一个姿态传感器和一个上位机控制器，所述调节机构是一个安装在水下机器人内部的平衡调节机构，该机构包括重心滑块、双轴驱动电机、蜗杆、导轨、滑杆、限位开关和机构平台。该专利技术与谢少荣专利技术的水下机器人姿态主动调节系统类似，牺牲了水下机器人本体内部有效空间，且没有针对具体外干扰情况提出有效的解决方案和控制方法。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种节约水下机器人本体内部有效空间且考虑具体外干扰情况的单自由度的调节水下机器人前进方向的重心位置的水下机器人重心辅助调节系统及控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术一种水下机器人重心辅助调节系统，包括：姿态检测系统、调节运动控制器、丝杠滑块机构、电池舱、水下机器人运动信息输入模块；姿态检测系统用于检测水下机器人本体姿态；水下机器人运动信息输入模块用于检测水下机器人本体的运动控制信息和搭载水下机器人本体上的水下机械臂的运动控制信息；调节运动控制器根据姿态检测系统检测的水下机器人纵倾姿态信息和水下机器人运动信息输入模块检测的水下机器人运动控制信息和水下机械臂运动控制信息推导出水下机械臂重心变化趋势和大小，进而控制丝杠滑块机构并调整水下机器人的重心，完成目标姿态的控制；丝杠滑块机构是重心辅助调节系统的执行机构，丝杠滑块机构根据调节运动控制器的指令带动电池舱前后移动、调节水下机器人重心。本专利技术一种水下机器人重心辅助调节系统，还包括：1.丝杠滑块机构包括水密电机、联轴器、丝杠、滑块和框架，水密电机输出端通过联轴器与设置在框架内的丝杠连接，电池舱的中部的前后两个位置各固定一个滑块，丝杠与两个滑块相连，水密电机接收调节运动控制器发出的指令带动丝杠旋转，丝杆带动滑块前后移动。2.框架包括四个导杆和两个平板，电池舱穿过四个导杆并可沿四个导杆移动。本专利技术一种用于上述的水下机器人重心辅助调节系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一：判断水下机器人工作状态，当水下机器人在海流干扰下处于静态情况下，执行步骤二；当水下机器人机械臂重心发生变化情况下，执行步骤三；当水下机器人在既有海流干扰，同时机械臂重心发生变化情况下，执行步骤四；步骤二：执行水下机器人静态情况下纵倾姿态控制方法，采用自适应积分反演控制方法：模型参数不确定性和外干扰等的水下机器人纵倾运动的运动学和动力学模型如下：其中θ为纵倾角，q为纵倾角速度，Iy为绕y轴的转动惯量，和Mq|q|为水动力系数,τM为推进器推力，中包含模型参数不确定性及外干扰fl；为控制器推导方便，将控制器系统改写为如下形式：其中x1＝ψ，x2＝r，ψ为航向角，r为航向角速度，M为惯性项，Iz为自身惯性量，为附加质量，D为水动力参数的比例系数，Nr|r|为水动力参数，u为控制器输出，fr为外界干扰和模型不确定性；步骤三：执行水下机械臂重心动态补偿方法，根据水下机械臂重心变化曲线，等效出电池舱重心补偿所需的位移变化曲线，根据水下机械臂水中重量和电池舱重量得到控制辅助调节系统的电池舱在规定时间内的变化曲线，根据该曲线，采用PID控制方法调节和控制电池舱运动；步骤四：执行水下机器人综合动态补偿方法，将步骤二所述的水下机器人静态情况下纵倾姿态控制方法和步骤三所述的水下机械臂重心动态补偿方法结合，结合水下机器人所需的运动姿态、当前推进器速度和方向舵角，计算调节运动控制器的参数，根据参数控制丝杠滑块机构，调节电池舱的位置，实现综合补偿。本专利技术的有益效果：本专利技术为水下机器人水下抓取物体时重心和姿态控制提供新的解决方案，同时为水下机器人水下作业的稳定性提供了保证。(1)本专利技术有效解决水下机器人水中静态条件下，抵抗海流干扰问题，使得水下机器人能够实现保持位置不变情况下，姿态自动恢复；(2)本专利技术能够补偿水下机械臂运动过程中，重心变化对水下机器人本体的干扰，减少水下机械臂和水下机器人之间的动力学耦合；(3)本专利技术实现了综合海况条件下，水下机器人纵倾方向的姿态稳定问题，通过多种因素的耦合满足水下机器人运动控制所需的稳定性问题；(4)本专利技术结构紧凑、空间利用合理，充分利用水下机器人结构上的特点，将本体中较重的电池舱作为调节单元，解决海流外干扰、水下机械臂重心变化对机器人本体影响；(5)该专利技术为水下机器人运动控制提供有效借鉴方案，具有重要的实际工程意义和理论价值。附图说明图1为重心辅助调节系统示意图；图2为丝杠滑块机构组成示意图；图3为水下机器人垂直面控制方框图；图4为水下机械臂重心变化曲线；图5为电池舱等效补偿变化曲线；图6为水下机器人综合动态补偿控制结构；图7为水下机器人纵倾角的控制方法框图。具体实施方式实施1：如图1所示，系统主要由姿态检测系统、调节运动控制器、丝杠滑块机构、电池舱、水下机器人运动信息输入模块组成：姿态检测系统用于检测水下机器人本体姿态，特别是水下机器人的纵倾信息；调节运动控制器根据当前水下机器人纵倾姿态信息、水下机器人运动控制信息、水下机械臂运动控制信息进行综合判断，控制重心辅助调节系统，调整水下机器人的重心，实现目标姿态的控制；丝杠滑块机构是重心辅助调节系统的执行机构，由水密电机、联轴器、丝杠、滑块和导向机构组成；电池舱是水下机器人重量较大的部分，密度最集中的部分，作为水下机器人重心调节的主要载体；水下机器人运动信息输入模块用于检测水下机器人本体的运动控制信息，如各个推进器运动数据、调节舵的舵角变化信息，同时也要搭载水下机器人本体上的水下机械臂的运动控制信息，进而推导出水下机械臂重心变化趋势和大小，这两种信息的变化为重心辅助调节系统的实时准确控制提供帮助。实施2：如图2所示，框架1起整体支撑作用，水密电机7通过联轴器6与丝杠5连接，电池舱3的中部的前后两个位置各固定一个滑块4，丝杠5与滑块4相连。水密电机7接收调节运动控制器发出的指令带动丝杠5旋转，丝杆5带动滑块4前后移动，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人重心辅助调节系统，其特征在于，包括：姿态检测系统、调节运动控制器、丝杠滑块机构、电池舱、水下机器人运动信息输入模块；姿态检测系统用于检测水下机器人本体姿态；水下机器人运动信息输入模块用于检测水下机器人本体的运动控制信息和搭载水下机器人本体上的水下机械臂的运动控制信息；调节运动控制器根据姿态检测系统检测的水下机器人纵倾姿态信息和水下机器人运动信息输入模块检测的水下机器人运动控制信息和水下机械臂运动控制信息推导出水下机械臂重心变化趋势和大小，进而控制丝杠滑块机构并调整水下机器人的重心，完成目标姿态的控制；丝杠滑块机构是重心辅助调节系统的执行机构，丝杠滑块机构根据调节运动控制器的指令带动电池舱前后移动、调节水下机器人重心。

【技术特征摘要】
2018.04.16 CN 20181033773511.一种水下机器人重心辅助调节系统，其特征在于，包括：姿态检测系统、调节运动控制器、丝杠滑块机构、电池舱、水下机器人运动信息输入模块；姿态检测系统用于检测水下机器人本体姿态；水下机器人运动信息输入模块用于检测水下机器人本体的运动控制信息和搭载水下机器人本体上的水下机械臂的运动控制信息；调节运动控制器根据姿态检测系统检测的水下机器人纵倾姿态信息和水下机器人运动信息输入模块检测的水下机器人运动控制信息和水下机械臂运动控制信息推导出水下机械臂重心变化趋势和大小，进而控制丝杠滑块机构并调整水下机器人的重心，完成目标姿态的控制；丝杠滑块机构是重心辅助调节系统的执行机构，丝杠滑块机构根据调节运动控制器的指令带动电池舱前后移动、调节水下机器人重心。2.根据权利要求1所述的一种水下机器人重心辅助调节系统，其特征在于：所述丝杠滑块机构包括水密电机、联轴器、丝杠、滑块和框架，水密电机输出端通过联轴器与设置在框架内的丝杠连接，电池舱的中部的前后两个位置各固定一个滑块，丝杠与两个滑块相连，水密电机接收调节运动控制器发出的指令带动丝杠旋转，丝杆带动滑块前后移动。3.根据权利要求1或2所述的一种水下机器人重心辅助调节系统，其特征在于，框架包括四个导杆和两个平板，电池舱穿过四个导杆并可沿四个导杆移动。4.一种用于权利要求1或2所述的水下机器人重心辅助调节系统的控制方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏延辉，朱强，徐丽学，王安琪，赵延峰，郝晟功，田晨光，刘静，王永海，王文杰，
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