水下机器人控制系统及运动控制方法技术方案
Control system and motion control method for underwater vehicle
The invention discloses an underwater robot control system and a motion control method. The water surface control system includes the surface console, the high-power supply and the umbilical cord. The underwater control system includes the power supply unit, the embedded microcontroller, the lighting monitoring unit, the power propulsion unit, the sensor information acquisition unit, the safety detection unit and so on. The underwater robot body is designed by three core control chips, one is used for navigation, depth information acquisition and motion control algorithm, one is used for sensor information acquisition and underwater lamp control, the other is dedicated to control thruster and acquisition thruster information. The invention solves the underwater robot due to disturbance problems caused by ocean current and wave complex environment, combined with fuzzy control to design the controller to realize generalized predictive control, flexible control of the AUV system, makes the underwater robot more stable, high precision control of underwater robot.
【技术实现步骤摘要】
水下机器人控制系统及运动控制方法
本专利技术涉及一种水下机器人，尤其涉及一种水下机器人控制系统及运动控制方法，属于机器人
技术介绍
海洋环境对船体及海洋钻井平台等有着巨大的危害，漆膜锈蚀、脱落会导致水下结构体的寿命下降。恶劣的海洋环境还会使其形成损伤，如果在早期阶段未能及时发现，就可能发展成为危险的事故……因此对于水下结构的安全检测与维护必不可少。水下机器人使得水下检测变得更加安全、快捷。水下机器人代替人工作业，提高了安全系数，减少人工成本。国家对海洋开发高度重视，并积极发展海洋科学技术和教育。水下机器人(ROV)作为水下安全检测强有力的工具，得到了越来越广泛的应用。如果想要实现ROV在广阔而复杂的海洋环境中长时间的安全稳定的作业，就必须对ROV的运动控制技术做出深入的研究，这对于我们开发海洋环境具有重大意义。ROV因其经济性好、下水出水灵活性高、环境适应性好、作业效率高、使用有效等优点，得到了迅速发展。因此，企业迫切希望水下机器人融入到水下安全检测技术中，以实现安全便捷、提高效益的目标。随着计算机技术、控制技术、导航技术及通讯传感技术的不断发展，ROV...
【技术保护点】
一种水下机器人控制系统，包括水面控制系统和水下控制系统，其特征在于：所述水面控制系统包括水面控制台(1)、大功率电源(2)、脐带缆(3)，水面控制台(1)和大功率电源(2)与脐带缆(3)相连，为水下机器人本体提供能量及数据传输；所述水下控制系统包括供电单元(4)、嵌入式微控制器(5)、照明监测单元(6)、动力推进单元(7)、传感器信息采集单元(8)、安全检测单元(9)，脐带缆(3)的通信线与嵌入式微控制器(5)相连，接收水下机器人的动作指令以及发送水下机器人通过传感器单元(8)采集到的信息，脐带缆(3)的电源线与大功率电源(2)相连，为水下机器人提供电能；所述供电单元(4)...
【技术特征摘要】
1.一种水下机器人控制系统，包括水面控制系统和水下控制系统，其特征在于：所述水面控制系统包括水面控制台(1)、大功率电源(2)、脐带缆(3)，水面控制台(1)和大功率电源(2)与脐带缆(3)相连，为水下机器人本体提供能量及数据传输；所述水下控制系统包括供电单元(4)、嵌入式微控制器(5)、照明监测单元(6)、动力推进单元(7)、传感器信息采集单元(8)、安全检测单元(9)，脐带缆(3)的通信线与嵌入式微控制器(5)相连，接收水下机器人的动作指令以及发送水下机器人通过传感器单元(8)采集到的信息，脐带缆(3)的电源线与大功率电源(2)相连，为水下机器人提供电能；所述供电单元(4)将脐带缆(3)传输的直流电源转换成电压等级不同的直流电压，并分别输送给嵌入式微控制器(5)、照明监测单元(6)、动力推进单元(7)；所述嵌入式微控制器(5)包括ARM9主控板(51)、第一LPC从控板(52)、第二LPC从控板(53)，所述第一LPC从控板(52)与照明监测单元(6)、安全检测单元(9)相连，用于控制水下灯(62)、云台摄像模块(61)、电压电流温度检测(91)、温湿度检测(92)、漏水检测(93)；所述第二LPC从控板(53)与动力推进单元(7)相连，控制水下推进器，实现机器人的运动；所述ARM9主控板(51)搭载Linux操作系统，与水面控制台(1)、第一LPC从控板(52)、第二LPC从控板(53)通信，所述ARM9主控板(51)控制导航模块(81)、深度计模块(82)、声呐模块(83)进行数据采集，对运动控制单元(10)进行控制；所述照明监测单元(6)包括水下灯(62)和云台摄像模块(61)，分别用于视觉照明和水下环境监测记录。2.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于：水面控制台(1)包括工控机(11)、显示器(12)、控制按钮(13)和操纵摇杆(14)；所述工控机(11)用于运行上位机以及连接显示器(12)，所述控制按钮(13)和操纵摇杆(14)均与工控机(11)进行串口通讯，用于操控水下机器人；所述显示器(12)显示云台摄像模块(61)采集的图像，观看海洋水下环境。3.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于：脐带缆(3)的缆芯为两根电缆线，一根光纤，两根电缆线传输电力，通过电缆线将水面大功率电源(2)与水下机器人连接，为机器人提供能量；一根光纤用于水下系统与水上系统的数据通信。4.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于：动力推进单元(7)包括控制器模块(71)、电机驱动模块(72)、推进器(73)；所述的控制器模块(71)为Arduino系列单片机，用于控制电机驱动模块(72)，电机驱动模块(72)的输出直接控制推进器(73)，所述推进器(73)共有4个，垂向布置两个，纵向布置两个，在尾部垂向布置的推进器(73)控制水下机器人的前进、后退、转艏动作；在中间纵向布置的推进器(73)控制水下机器人的上浮、下潜、横滚动作。5.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于：传感器信息采集单元(8)包括导航模块(81)、深度计模块(82)、声呐模块(83)；所述导航模块(81)实时采集机器人的姿态信息，包括航向角、俯仰角以及横滚角；所述深度计模块(82)通过感知水压来采集水下机器人的深度信息；所述声呐模块(83)用于采集水下结构物信息，所述导航模块(81)、深度计模块(82)、声呐模块(83)均与ARM9主控板(51)连接，将数据传给主控板加以解析。6.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统，其特征在于：安全检测单元(9)包括电压电流温度检测(91)、温湿度检测(92)、漏水检测(93)；所述电压电流温度检测(91)对电源模块监测，防止电源报错；所述温湿度检测(92)用于测量密封舱内的温湿度，以防温度过高或者舱内渗水的情况；所述漏水检测(93)用于检测舱内是否有漏水现象。7.根据权利要求1所述的水下机器人控制系统的运动控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：水下机器人在水中做六个自由度运动，分别为三轴移动和三轴旋转；在外界环境干扰的情况下，通过传感器系统采集的水下机器人的位置和姿态信息，建立水下机器人运动学数学模型为：其中，M为水下机器人惯性矩阵，M∈R6×6；C(v)为水下机器人科氏及向心力矩阵，C(v)∈R6×6；D(v)是水下机器人流体阻力矩阵，D(v)∈R6×6；g(η)是由重力和浮力组成的回复力矩阵，g(η)∈R6×1；τ是水下机器人推进器提供的推力，τ∈R6×1；为水下机器人相对于固定坐标系的位置和姿态角，其中为横滚角，θ为俯仰角，ψ为航向角；J(η)为坐标转换矩阵；v＝[uvwpqr]T，为水下机器人在艇体坐标系内的六个自由度的速度；水下机器人的运动包括前进、后退、上浮、下潜和转艏，其运动方式为单自由度运动，各自由度之间粘性耦合较小，运动坐标系原点和水下机器人重心基本重合，简化后的模型为：则水下机器人的单自由度动力学模型为：
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