專(zhuān)利名稱(chēng)：：三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人及其定深控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種水下機(jī)器人，本發(fā)明還涉及一種水下機(jī)器人的控制方法。(二)
背景技術(shù)：
：水下機(jī)器人的深度控制系統(tǒng)的輸出推進(jìn)裝置一般為兩種一種為普通的螺旋槳，為了滿(mǎn)足其垂向的運(yùn)動(dòng)要求，產(chǎn)生垂向的推力，需要在艇體的垂向上至少布置一個(gè)槽道螺旋槳；另一種為布置水平舵(或叫水平翼)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)時(shí)水平舵產(chǎn)生升力，進(jìn)而改變水下機(jī)器人縱傾角，耦合軸向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生上升和下潛運(yùn)動(dòng)。但上述兩種做法存在以下缺點(diǎn)1、在水下高速航行時(shí)，槽道螺旋槳存在較大的推力減額問(wèn)題，甚至?xí)霈F(xiàn)深度失控；槽道槳定深航行消耗能量較多，減少了水下機(jī)器人的航程；在遇到較大垂向海流的時(shí)候，僅憑垂向槽道槳，可提供的抵抗能力較弱。2、水平舵調(diào)節(jié)縱傾只有在大航速下，才有較高的舵效；單純采用水平舵無(wú)法實(shí)現(xiàn)垂直潛伏運(yùn)動(dòng)，只能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)潛伏；通過(guò)航行中水平舵調(diào)節(jié)縱傾，雖然消耗能量較少，但水平舵提供升力的同時(shí)，也有較大的阻力，需要主推螺旋槳消耗更多的能量來(lái)完成定速運(yùn)動(dòng)。(三)
發(fā)明內(nèi)容.本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地適應(yīng)水下機(jī)器人強(qiáng)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定深航行運(yùn)動(dòng)控制的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人。本發(fā)明的目的還在于提供這種三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人的定深控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括艇體，在艇體艉部設(shè)置有軸向主推力器，在艇體的艏、舯、艉部分別設(shè)置有由油囊、儲(chǔ)油罐和連接在油囊與儲(chǔ)油罐之間的輸油管道與油路控制機(jī)構(gòu)組成的油囊浮力調(diào)節(jié)裝置，獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息的傳感器安裝在各自相應(yīng)的部位。所述的油路控制機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于輸油管道上的齒輪泵、單向閥、電磁換向閥、電磁截止閥、調(diào)速閥。齒輪泵上連接有直流電機(jī)。電磁換向閥、電磁截止閥、調(diào)速闊和直流電機(jī)均由主控計(jì)算機(jī)控制。本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人的定深控制方法為通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息輸入主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息發(fā)出指令決定靜態(tài)下潛或運(yùn)動(dòng)下潛；若指令為靜態(tài)下潛，艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置、舯油囊浮力調(diào)節(jié)裝置、艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置同時(shí)從其油囊中抽油，減少油囊排水體積，使水下機(jī)器人從總體上浮力〈重力，實(shí)現(xiàn)下沉；若指令為運(yùn)動(dòng)下潛，軸向主推力器開(kāi)動(dòng)，加速進(jìn)入定速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的儲(chǔ)油罐從艏油囊中吸油，減少艏油囊排水體積；從艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的儲(chǔ)油罐向艉油囊內(nèi)排油，增大艉油囊排水體積；水下機(jī)器人從零縱傾變?yōu)轸贾貭顟B(tài)，埋艏，軸向運(yùn)動(dòng)耦合埋艏運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有縱傾下潛；靜態(tài)上浮或運(yùn)動(dòng)上浮時(shí)，吸排油動(dòng)作與之相反。本發(fā)明采用油囊調(diào)節(jié)靜浮力能很好地的解決普通的螺旋槳和布置水平舵的深度控制系統(tǒng)的水下機(jī)器人的不足，它在艏、舯、艉各配置一個(gè)體積可變油囊，即可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的靜態(tài)潛伏和縱傾調(diào)節(jié)。這樣不管水下機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中還是在靜止中，都能有效地實(shí)現(xiàn)深度方向的定深控制。采用三油囊調(diào)節(jié)靜浮力的總布置結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有在水下機(jī)器人中有應(yīng)用的先例。是一種較好的定深控制新方法。本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用于水下機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于長(zhǎng)距離航行的水下機(jī)器人在節(jié)省能量上具有特別意義。(四)圖1是本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靜態(tài)上浮示意3是本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靜態(tài)下潛示意圖；圖4是本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抬艏運(yùn)動(dòng)上浮示意圖；圖5是本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)埋艏運(yùn)動(dòng)下潛示意圖6是油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的原理圖；圖7是本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人的定深航行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。(五)具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人包括艇體13，在艇體艉部設(shè)置有軸向主推力器11，在艇體的艏、舯、艉部分別設(shè)置有由油囊、儲(chǔ)油罐和連接在油囊與儲(chǔ)油罐之間的輸油管道與油路控制機(jī)構(gòu)組成的艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置15、舯油囊浮力調(diào)節(jié)裝置14、艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置12，獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息的傳感器安裝在各自相應(yīng)的部位。結(jié)合圖6，連接在油囊8與儲(chǔ)油罐7之間的輸油管道與油路控制機(jī)構(gòu)組成的油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的油路控制機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于輸油管道上的齒輪泵l、單向閥3、電磁換向閥4、電磁截止閥5、調(diào)速闊6，齒輪泵上連接有直流電機(jī)2，電磁換向閥、電磁截止閥、調(diào)速閥和直流電機(jī)均由主控計(jì)算機(jī)控制。本發(fā)明的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人的定深控制方法為通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息輸入主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息發(fā)出指令決定靜態(tài)下潛或運(yùn)動(dòng)下潛；若指令為靜態(tài)下潛，艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置、舯油囊浮力調(diào)節(jié)裝置、艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置同時(shí)從其油囊中抽油，減少油囊排水體積，使水下機(jī)器人從總體上浮力〈重力，實(shí)現(xiàn)下沉；若指令為運(yùn)動(dòng)下潛，軸向主推力器開(kāi)動(dòng)，加速進(jìn)入定速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的儲(chǔ)油罐從艏油囊中吸油，減少艏油囊排水體積；從艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的儲(chǔ)油罐向艉油囊內(nèi)排油，增大艉油囊排水體積；水下機(jī)器人從零縱傾變?yōu)轸贾貭顟B(tài)，埋艏，軸向運(yùn)動(dòng)耦合埋艏運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有縱傾下潛；靜態(tài)上浮或運(yùn)動(dòng)上浮時(shí)，吸排油動(dòng)作與之相反。本發(fā)明的定深控制方法工作包括當(dāng)前位置姿態(tài)的獲取，偏差的映射，控制器的解算，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力學(xué)輸出。在本發(fā)明中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力學(xué)輸出方式是本發(fā)明的重點(diǎn)之處。水下機(jī)器人六個(gè)自由度分別設(shè)計(jì)控制器。當(dāng)深度存在偏差，此時(shí)深度控制器有偏差輸入。根據(jù)垂向偏差和偏差變化率，計(jì)算得到垂向應(yīng)施加的力。若此時(shí)機(jī)器人沒(méi)有軸向運(yùn)動(dòng)，即沒(méi)有前進(jìn)和后退的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)施靜態(tài)潛伏。以PID控制為例<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中^垂向偏差的歸一化輸入，是實(shí)際垂向偏差與深度最大偏差論域的商。"為控制器的歸一化輸出。需要改變的靜浮力="*靜浮力最大可變量?！禤、《、《d分別為比例項(xiàng)系數(shù)，積分項(xiàng)系數(shù)、微分項(xiàng)系數(shù)。將計(jì)算得到垂向需要改變的靜浮力分解為三個(gè)部分。分別由艏、舯、艉三個(gè)油囊改變自身排水體積實(shí)現(xiàn)浮力的調(diào)整。油量分配的原則是保持縱傾角一直為零。保持無(wú)縱傾下潛。浮力總調(diào)整量為三個(gè)油囊排水體積改變量x(水密度-油密度)。每個(gè)油囊的調(diào)整量=浮力總調(diào)整量/3。同時(shí)調(diào)節(jié)閥門(mén)，改變各自油囊內(nèi)的油量，實(shí)現(xiàn)浮力的改變。無(wú)縱傾靜態(tài)上浮和下潛的油囊調(diào)節(jié)示意圖如圖2、3所示。當(dāng)水下機(jī)器人存在較高速的軸向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)釆用改變縱傾角度，耦合軸向運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)有縱傾下潛。一般情況下，水下機(jī)器人六個(gè)自由度分別設(shè)計(jì)控制器，當(dāng)深度存在偏差，此時(shí)深度控制器有偏差輸入。將Z向偏差映射為縱傾向偏差，通過(guò)縱傾向控制和軸向控制的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。改變垂向深度。此處Z》Pitch偏差映射可為線(xiàn)性關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>，其中a，C，k是常數(shù)。意即當(dāng)深度偏差的絕對(duì)值大于某一值時(shí)，縱傾偏差為一常數(shù)；當(dāng)深度偏差的絕對(duì)值小于這一值時(shí)，縱傾偏差是深度偏差與常數(shù)的乘積。如表l:當(dāng)深度偏差〉10m,縱傾偏差取10°;當(dāng)深度偏差《10m，縱傾偏差取-10。。此處《=10，C=10，/c=l。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1定深偏差與縱傾偏差的映射對(duì)應(yīng)關(guān)系這樣就把深度偏差映射到了縱傾向的偏差，歸一化后可作為縱傾控制器的偏差輸入。此時(shí)，縱傾控制器可采用任何一種有效的控制算法，如PID，模糊控制等?？刂破鞯妮敵鍪菤w一化后的縱傾力矩。根據(jù)艏、艉油囊所處位置，計(jì)算和重心的力臂。力=縱傾力矩/力臂，計(jì)算得到艏、艉油囊垂直方向應(yīng)改變的力。調(diào)整油囊里的油量，改變排水體積，在垂直方向的力矩用于調(diào)節(jié)縱傾。排水體積=垂直方向應(yīng)改變的力/(水密度-油密度)。艏、艉油囊同時(shí)調(diào)節(jié)閥門(mén)，改變各自油囊內(nèi)的油量，實(shí)現(xiàn)浮力的改變，實(shí)現(xiàn)埋艏下潛或抬艏上浮。控制系統(tǒng)與浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間通過(guò)RS232串口進(jìn)行通訊，其通訊協(xié)議如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>命令(1)快升<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(2)快降<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(3)慢升<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(4)慢降<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(5)讀取儲(chǔ)油器所剩油量<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>儲(chǔ)油器所剩外婦量返回?cái)?shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>有縱傾靜態(tài)上浮和下潛的油囊調(diào)節(jié)示意圖如圖4、5所示。采用以上方法進(jìn)行采用油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的水下機(jī)器人定深航行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖7所示。水下機(jī)器人初始深度為水面航行，深度0m。首次規(guī)劃目標(biāo)深度0.5m。經(jīng)過(guò)6.25s,水下機(jī)器人下潛到0.5m，并保持在定深0.5m航行。二次規(guī)劃目標(biāo)深度2.3m。經(jīng)過(guò)10.5s，水下機(jī)器人下潛到2.3m，并保持在定深2.3m航行?？刂菩Ч己?。深度響應(yīng)的時(shí)間稍慢，是由于油囊注排油需要一定時(shí)間的原因。權(quán)利要求1、一種三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人，它包括艇體，在艇體艉部設(shè)置有軸向主推力器，其特征是在艇體的艏、舯、艉部分別設(shè)置有由油囊、儲(chǔ)油罐和連接在油囊與儲(chǔ)油罐之間的輸油管道與油路控制機(jī)構(gòu)組成的油囊浮力調(diào)節(jié)裝置，獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息的傳感器安裝在各自相應(yīng)的部位。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人，其特征是所述的油路控制機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于輸油管道上的齒輪泵、單向閥、電磁換向閥、電磁截止閥、調(diào)速閥，齒輪泵上連接有直流電機(jī)，電磁換向閥、電磁截止閥、調(diào)速閥和直流電機(jī)均由主控計(jì)算機(jī)控制。3、一種三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人的定深控制方法，其特征是通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息輸入主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息發(fā)出指令決定靜態(tài)下潛或運(yùn)動(dòng)下潛；若指令為靜態(tài)下潛，艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置、舯油囊浮力調(diào)節(jié)裝置、艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置同時(shí)從其油囊中抽油，減少油囊排水體積，使水下機(jī)器人從總體上浮力〈重力，實(shí)現(xiàn)下沉；若指令為運(yùn)動(dòng)下潛，軸向主推力器開(kāi)動(dòng)，加速進(jìn)入定速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，艏油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的儲(chǔ)油罐從艏油囊中吸油，減少艏油囊排水體積；從艉油囊浮力調(diào)節(jié)裝置的儲(chǔ)油罐向艉油囊內(nèi)排油，增大艉油囊排水體積；水下機(jī)器人從零縱傾變?yōu)轸贾貭顟B(tài)，埋艏，軸向運(yùn)動(dòng)耦合埋艏運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有縱傾下潛；靜態(tài)上浮或運(yùn)動(dòng)上浮時(shí)，吸排油動(dòng)作與之相反。全文摘要本發(fā)明提供的是三油囊調(diào)節(jié)的水下機(jī)器人及其定深控制方法。通過(guò)相應(yīng)傳感器獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度等信息。根據(jù)主控計(jì)算機(jī)指令決定靜態(tài)下潛或運(yùn)動(dòng)下潛。若指令為靜態(tài)下潛，艏、舯、艉同時(shí)從油囊中抽油，減少油囊排水體積，使水下機(jī)器人從總體上浮力＜重力，實(shí)現(xiàn)下沉；若指令為運(yùn)動(dòng)下潛，軸向主推力器開(kāi)動(dòng)，加速進(jìn)入定速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，艏部?jī)?chǔ)油罐從艏油囊中吸油，減少艏油囊排水體積；從艉儲(chǔ)油罐向艉油囊內(nèi)排油，增大艉油囊排水體積。水下機(jī)器人從零縱傾變?yōu)轸贾貭顟B(tài)，埋艏。此時(shí)軸向運(yùn)動(dòng)耦合埋艏運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有縱傾下潛。靜態(tài)上浮或運(yùn)動(dòng)上浮時(shí)，吸排油動(dòng)作與之相反。本發(fā)明對(duì)于長(zhǎng)距離航行的水下機(jī)器人在節(jié)省能量上具有特別意義。文檔編號(hào)B63G8/14GK101337578SQ200810137018公開(kāi)日2009年1月7日申請(qǐng)日期2008年8月27日優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日發(fā)明者磊萬(wàn),翀呂,唐旭東,孫俊嶺,龐永杰,磊張,曄李,陳小龍申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)