本发明专利技术涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种四旋翼式无人水下航行器的运动控制算法。本发明专利技术采用的技术方案是：机体坐标系原点在无人水下航行器浮心处，x轴沿航行器机体回转中心指向头部，y轴位于航行器的纵对称面内，垂直于x轴并指向上方，z轴正方向按右手定则方法确定；包括水平运动控制和纵倾平面运动控制两大部分。本发明专利技术采用动态配置四个推进器的转速、转向及倾角的方法，通过改变上述参量实现无人水下航行器的前进、后退、侧向运动、上浮、下潜、悬停及改变姿态角的大机动运动。本发明专利技术将回转体外形的无人水下航行器本体与可调整倾角的推进器相结合，并开发了与这种结构形式相匹配的运动控制算法，可实现无人水下航行的水下六自由度运动以及悬停、大机动等动作。大机动等动作。大机动等动作。
【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼式无人水下航行器的运动控制算法
[0001]本专利技术涉及水下机器人控制
，具体为一种四旋翼式无人水下航行器的运动控制算法。
技术介绍
[0002]无人水下航行器是海洋开发、监测以及生态保护的重要装备之一，通过搭载不同类型的传感器和执行器，在海洋探索、开发、监测以及侦察等多项任务中能够针对不同任务有效地实施作业。
[0003]为完成特定的水下作业任务，需要无人水下航行器具备垂直上升、竖直下潜或悬停运动的能力。在通过或停留在逼仄空间作业时，要求无人水下航行器具备大机动的运动能力。现有无人水下航行器多采用回转体外形，尾部安装一个推进器及四个舵(“十”字形或
“×”
字形)，这种无人水下航行器仅能在以一定速度航行的条件下才能保持稳定的姿态或改变姿态，无法悬停或垂直上浮、下潜。受推进器布局限制，这种无人水下航行器也无法执行小转弯半径对应的大机动动作。
[0004]近年来，出现了在航行器本体上固定安装四个推进器的新形式的四旋翼式无人水下航行器。这种无人水下航行器通过改变四个推进器的转速调节航行器姿态，这种控制方式将速度控制和姿态控制相耦合，姿态角的变化范围受限，执行水面任务时较难控制，且无法实现大机动。如专利CN 108423145 A和专利CN 110065606 A中提到的基于矢量推进的流线型四旋翼水下航行器，推进装置的两个推进器之间通过连杆实现联动，遇到干扰时，该联动方式会减弱推进装置的操控性能。专利CN 302992368 S提到的蝶形四旋翼水下航行器，根据四旋翼无人平台特性，依靠调节固定推进器的转速实现前进运动，受安全俯仰角度的限制，前行速度分量小，前进速度难以提高，在水下高速航行时，迎流面积较大，会减弱航速。
[0005]鉴于以上情况，有必要开发具备完备驱动能力的、可实现任意形式六自由度运动的新型无人水下航行器。新型四旋翼动力布局的无人水下航行器的四个推进器的转速、转向及推进器相对于航行器本体水平面的倾角皆可调整，航行器的独立控制参量较多，运动模式涉及定深、定向、上浮、下潜、悬停、大机动等，且难以建立航行器运动的数学模型，现有四旋翼无人水下航行器运动控制算法难以适用。为此，有必要开发适用于新型四旋翼动力布局的无人水下航行器的运动控制算法。
技术实现思路
：
[0006]本专利技术提供一种四旋翼式无人水下航行器的运动控制算法，以克服现有无人水下潜航器控制难度较大，无法在狭小空间进行细致的水下探测的技术问题。
[0007]为了达到本专利技术的目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0008]一种四旋翼式无人水下航行器的运动控制算法，所采用的四旋翼式无人水下航行器包括机体内部的四个舵机，四个推进器对称布置在无人水下航行器机体两侧，所述四个
推进器3分别通过传动轴2与独立运动的舵机1相连接，舵机1固定于推进控制段壳体4上。
[0009]所述四旋翼式无人水下航行器的结构布局为，机体坐标系原点在无人水下航行器浮心处，x轴沿航行器机体回转中心指向头部，y轴位于航行器的纵对称面内，垂直于x轴并指向上方，z轴正方向按右手定则方法确定；
[0010]所述四旋翼式无人水下航行器的控制输入为：四个推进器的转速、正/反转信号、推进器平面相对于航行器本体水平面的倾角；
[0011]所述运动控制算法，包括水平运动控制和纵倾平面运动控制两大类：
[0012]一、水平运动控制
[0013]1.1水面遥控
[0014]水面遥控仅使用四旋翼式无人水下航行器后侧的两个推进器，设置推进器的指令转速V为speed
d
，设置相应的舵机倾角d为固定值δ
e1
，使四旋翼式无人水下航行器尾部完全没入水中，即
[0015]V
后推进器
＝speed
d
[0016]d
后舵机
＝δ
e1
[0017]1.2水下航行运动控制
[0018]四旋翼式无人水下航行器的水下航行通过调整4个推进器的转速及其倾角实现姿态和位置控制。
[0019](1)转速分配：
[0020][0021]其中，V
i
(i＝1,2,3,4)表示第i号推进器的转速指令，speed
d
表示期望的转速指令。
[0022](2)舵角分配：
[0023][0024]其中，d
i
(i＝1,2,3,4)表示第i号推进器倾角指令，L1表示前部一对推进器x轴方向位置坐标，L2表示后部一对推进器x轴方向位置坐标。
[0025]上式中的speed
yaw
、d
e
和d
d
通过如下所示计算式确定。
[0026][0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033]其中，
[0034]e
i
(i＝h,φ,θ,ψ)表示指令输入与实际输出之差，h,φ,θ,ψ分别表示深度、横滚角、俯仰角和航向角；
[0035]k
i
(i＝ep1,ep2,ed,dp,dd,rp,rd)表示系统的控制增益；
[0036]i0(i＝φ,θ)表示姿态控制基准值；
[0037]δ
i
(i＝de,dd,v)表示线性区间；
[0038]表示姿态角速度；
[0039]d
i
(i＝e,d)表示倾角调节指令，e,d分别表示倾角分配指令和倾角差动指令；
[0040]speed
yaw
表示转速调节指令。
[0041]二、纵倾平面运动控制：
[0042]2.1上浮、下潜运动控制
[0043]上浮、下潜运动控制过程中，四个推进器的倾角均处于90
°
位置，即与无人航行器本体水平面垂直。四个推进器的转速为
[0044][0045]其中，
[0046][0047][0048][0049][0050]其中，k
i
(i＝ph,dh,ih,pθ,dθ,iθ,pφ,dφ,iφ,pψ,dψ,iψ)表示系统的控制增益。e
ylimit
表示深度控制下限。
[0051]2.2定点悬停运动控制
[0052]定点悬停运动控制在上浮、下潜运动控制前提下执行。在执行定点悬停任务时，将2.1上浮、下潜运动控制中的V
t
替换为如下所示
[0053][0054][0055]其中，e
h
＝h
‑
h
d
表示深度差，m表示四旋翼式无人水下航行器重量，g表示重力加速度，V表示排水体积，ρ表示水密度，k
pT
表示悬停控制增益，δ
T
表示线性区间，为实现悬停要求，可根据性能指标要求，使δ
T
满足控制精度，一般情况下，δ
T
∈[
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种四旋翼式无人水下航行器的运动控制算法，其特征在于：所采用的四旋翼式无人水下航行器包括机体内部的四个舵机(1)，四个推进器(3)对称布置在无人水下航行器机体两侧，所述四个推进器(3)分别通过传动轴(2)与独立运动的舵机(1)相连接，舵机(1)固定于推进控制段壳体(4)上；所述四旋翼式无人水下航行器的结构布局为，机体坐标系原点在无人水下航行器浮心处，x轴沿航行器机体回转中心指向头部，y轴位于航行器的纵对称面内，垂直于x轴并指向上方，z轴正方向按右手定则方法确定；所述四旋翼式无人水下航行器的控制输入为：四个推进器的转速、正/反转信号、推进器平面相对于航行器本体水平面的倾角；所述运动控制算法，包括水平运动控制和纵倾平面运动控制两大类：一、水平运动控制1.1水面遥控水面遥控仅使用四旋翼式无人水下航行器后侧的两个推进器，设置推进器的指令转速V为speed
d
，设置相应的舵机倾角d为固定值δ
e1
，使四旋翼式无人水下航行器尾部完全没入水中，即V
后推进器
＝speed
a
d
后舵机
＝δ
e1
1.2水下航行运动控制四旋翼式无人水下航行器的水下航行通过调整4个推进器的转速及其倾角实现姿态和位置控制(1)转速分配：其中，V
i
(i＝1,2,3,4)表示第i号推进器的转速指令，speed
d
表示期望的转速指令；(2)舵角分配：其中，d
i
(i＝1,2,3,4)表示第i号推进器倾角指令，L1表示前部一对推进器x轴方向位置坐标，L2表示后部一对推进器x轴方向位置坐标；上式中的speed
yaw
、d
e
和d
d
通过如下所示计算式确定。...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵雅蓉，陈建峰，王锋辉，徐珂，惠东兴，高佳文，雷娟，赵兴奋，胡帅，王英，张凯源，丁自立，
申请(专利权)人：西安天伟电子系统工程有限公司浙江海呐科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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