本發(fā)明涉及水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,具體地說,是一種無人遙控水下機(jī)器人及其控制方法。
背景技術(shù):
隨著國(guó)家加大對(duì)海洋資源的開發(fā)力度,原本水下作業(yè)主要是依靠人和簡(jiǎn)單的潛水設(shè)備,復(fù)雜而危險(xiǎn)的海底環(huán)境對(duì)人的生命安全構(gòu)成相當(dāng)大的威脅,潛水員下潛50米以下就很難完成這種的水下作業(yè)任務(wù),這就必須依賴于一種新的智能化的機(jī)器設(shè)備來代替人去執(zhí)行海底作業(yè)任務(wù),水下機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生。承擔(dān)水下工程、水下搜救、考古科研、市政管道消防管道調(diào)查、水利、公安、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋生物觀測(cè)、海洋汽油管道調(diào)查、能源勘探、水質(zhì)污染檢測(cè)等工作。
現(xiàn)有的小型水下無人遙控水下機(jī)器人,都是假定水下部分的穩(wěn)定性,及在沒有外界推力的狀態(tài)下,浮心和重心位置保證了機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定,通過不同方向的推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退、左移和右移、轉(zhuǎn)向、上升和下降。從而對(duì)多自由度的操控必須通過多個(gè)推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn),或者采用矢量推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)。但是存在以下不足:
首先,現(xiàn)有的水下機(jī)器人靜態(tài)平衡穩(wěn)定的條件為浮心和重心位置具有高度差,其高度差至少要大于70mm才能使水下機(jī)器人保持穩(wěn)定,因此,按照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)水下機(jī)器人體積相對(duì)較大,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;
其次,為了使得水下機(jī)器人在空間具有六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng),即三維空間中水下機(jī)器人向X軸移動(dòng)、Y軸移動(dòng)、Z軸移動(dòng)、X軸轉(zhuǎn)動(dòng)、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng),水下機(jī)器人上的推進(jìn)器安裝在三維空間坐標(biāo)軸的方向上,即X軸,Y軸,Z軸方向上,當(dāng)水下機(jī)器人需要向X軸方向運(yùn)動(dòng),就控制相應(yīng)的推進(jìn)器在該方向上轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力,而Y軸或Z軸上的推進(jìn)器則停止工作,推動(dòng)力比較單一,推動(dòng)力小,且水下機(jī)器人在姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)不易控制;
另外,現(xiàn)有的水下機(jī)器人的姿態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)引起俯仰角θ,橫滾角φ,偏航角ψ變化,而沒有一種控制方法能夠糾正角度偏差,使得攝像頭不穩(wěn)定,影響攝像頭傳輸影像。
再者,現(xiàn)有的小型無人遙控水下機(jī)器人存在運(yùn)動(dòng)速度慢,尤其是水下機(jī)器 人上升和沉降速度慢,水下運(yùn)動(dòng)不靈活高效等缺點(diǎn)。而且如果多電機(jī)實(shí)現(xiàn)多自由度的控制,在運(yùn)行過程中只有少部分電機(jī)提供主要的動(dòng)力,利用率不高。
綜上所述,亟需一種體節(jié)小、推動(dòng)力強(qiáng)、水下操作靈活高效、攝像頭穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)速度快的無人遙控水下機(jī)器人及控制方法,但是關(guān)于這種水下機(jī)器人及控制方法目前還未見報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種體節(jié)小、推動(dòng)力強(qiáng)、水下操作靈活高效、攝像頭穩(wěn)定、水下運(yùn)動(dòng)速度快的無人遙控水下機(jī)器人。
本發(fā)明的再一的目的是,提供一種無人遙控水下機(jī)器人控制方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
一種無人遙控水下機(jī)器人,所述水下機(jī)器人設(shè)有浮體結(jié)構(gòu)、殼體、密封裝置;所述殼體為圓柱形;所述殼體外表面裝配有固定架;所述固定架上設(shè)有連接體;所述連接體與配重結(jié)構(gòu)連接;所述配重結(jié)構(gòu)另一端連接螺旋推進(jìn)器;所述螺旋推進(jìn)器間隔90度對(duì)稱排列;所述螺旋推進(jìn)器的朝向一致;所述密封裝置通過緊密配合的方式固定在殼體一端,其密封裝置與殼體組合的空間為耐壓艙;所述耐壓艙內(nèi)設(shè)有主控板、重力加速度儀、地磁傳感器、陀螺儀傳感器、壓力傳感器、聲吶傳感器、姿態(tài)傳感器、濕度傳感器、多自由度云臺(tái);所述主控板通過I2C或其它通訊協(xié)議和螺旋推進(jìn)器的控制器進(jìn)行通訊,通過串口和多自由度云臺(tái)的控制器進(jìn)行通訊;所述多自由度云臺(tái)上連接有俯仰角控制電機(jī)、橫滾角控制電機(jī)、偏航角控制電機(jī);所述的多自由度云臺(tái)上安裝有兩個(gè)攝像頭;所述多自由度云臺(tái)上還設(shè)有控制器,其控制器內(nèi)設(shè)有主控芯片。
所述螺旋推進(jìn)器共有4個(gè),分別為第一螺旋推進(jìn)器、第二螺旋推進(jìn)器、第三螺旋推進(jìn)器、第四螺旋推進(jìn)器。
所述水下機(jī)器人通過臍帶纜和水面上的浮標(biāo)通訊模塊連接,水上浮標(biāo)通訊模塊通過無線連接與現(xiàn)場(chǎng)用戶的PC連接,現(xiàn)場(chǎng)用戶通過3G/4G信號(hào)與云端連接,云端通過互聯(lián)網(wǎng)和任意的互聯(lián)網(wǎng)用戶連接。
所述的俯仰角控制電機(jī)、橫滾角控制電機(jī)、偏航角控制電機(jī)位于三維空間坐標(biāo)軸方向上,兩兩相互垂直的方式排列。
所述配重結(jié)構(gòu)的位置置于浮體結(jié)構(gòu)的近端。
所述連接體為折疊式結(jié)構(gòu)。
所述浮體結(jié)構(gòu)為半圓形。
所述的水下機(jī)器人包括殼體、螺旋推進(jìn)器、連接體;所述殼體為球形,其兩端設(shè)有開口;所述開口裝配有連接體,所述連接體上連接有螺旋推進(jìn)器;所述螺旋推進(jìn)器共有4個(gè),分別為第一螺旋推進(jìn)器、第二螺旋推進(jìn)器、第三螺旋推進(jìn)器、第四螺旋推進(jìn)器;所述螺旋推進(jìn)器的朝向一致;所述螺旋推進(jìn)器與連接體間設(shè)有配重結(jié)構(gòu);所述連接體與殼體密封形成耐壓艙;所述耐壓艙內(nèi)設(shè)有主控板、重力加速度儀、地磁傳感器、陀螺儀傳感器、壓力傳感器、聲吶傳感器、姿態(tài)傳感器、濕度傳感器、多自由度云臺(tái);所述主控板通過I2C或其它通訊協(xié)議和螺旋推進(jìn)器的控制器進(jìn)行通訊,通過串口和多自由度云臺(tái)的控制器進(jìn)行通訊;所述多自由度云臺(tái)上連接有俯仰角控制電機(jī)、橫滾角控制電機(jī)、偏航角控制電機(jī);所述的俯仰角控制電機(jī)、橫滾角控制電機(jī)、偏航角控制電機(jī)位于三維空間坐標(biāo)軸上,兩兩相互垂直的方式排列;所述的多自由度云臺(tái)上安裝有兩個(gè)攝像頭;所述多自由度云臺(tái)上還設(shè)有控制器,其控制器內(nèi)設(shè)有主控芯片。
為實(shí)現(xiàn)上述第二個(gè)目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
一種無人遙控水下機(jī)器人控制方法,包括以下步驟:
步驟S1,通過反饋控制實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人多自由度的運(yùn)行和操控,主控板接受PC端給定的命令,然后根據(jù)姿態(tài)傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋信息,構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制,通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制器計(jì)算后輸出給螺旋推進(jìn)器的控制器,螺旋推進(jìn)器的控制器控制螺旋推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)到達(dá)給定的控制命令;
步驟S2,通過主控芯片糾正多自由度云臺(tái)角度偏差,如果水下機(jī)器人傳感器讀到的ψ發(fā)生改變,主控芯片會(huì)將此時(shí)的變化差值發(fā)給多自由度云臺(tái)的控制器,多自由度云臺(tái)的控制器通過設(shè)定的控制算法控制偏航角控制電機(jī)向相反方向偏轉(zhuǎn)相同的差值從而使得立體攝像頭保持穩(wěn)定;如果水下機(jī)器人傳感器讀到的θ發(fā)生改變,主控芯片會(huì)將此時(shí)的變化差值發(fā)給多自由度云臺(tái)的控制器,多自由度云臺(tái)的控制器通過設(shè)定的控制算法控制俯仰角控制電機(jī)向相反方向偏轉(zhuǎn)相同的差值從而使得立體攝像頭保持穩(wěn)定;如果水下機(jī)器人傳感器讀到φ的發(fā)生改變,主控芯片會(huì)將此時(shí)的變化差值發(fā)給多自由度云臺(tái)的控制器,多自由度云臺(tái)的控制器通過設(shè)定的控制算法控制橫滾角控制電機(jī)向相反方向偏轉(zhuǎn)相同的差值從而使得立體攝像頭保持穩(wěn)定;
步驟S3,通過上3D眼鏡控制多自由度云臺(tái)運(yùn)動(dòng),現(xiàn)場(chǎng)用戶使用的3D眼鏡進(jìn)行抬頭或者低頭操作時(shí),3D眼鏡會(huì)將改變的φ值通過通信線路發(fā)送到主控板,主控板再將命令發(fā)送到多自由度云臺(tái)的控制器,控制器控制橫滾電機(jī)改 變相應(yīng)的角度進(jìn)行響應(yīng);現(xiàn)場(chǎng)用戶使用的3D眼鏡進(jìn)行左轉(zhuǎn)頭或者右轉(zhuǎn)頭操作時(shí),3D眼鏡會(huì)將改變的ψ值通過通信線路發(fā)送到主控板,主控板再將命令發(fā)送到多自由度云臺(tái)控制器,控制器控制偏航角控制電機(jī)改變相應(yīng)的角度進(jìn)行響應(yīng);3D眼鏡進(jìn)行向前傾斜或向后傾斜時(shí),3D眼鏡會(huì)將改變的θ值通過通信電路發(fā)送到主板,主板再將命令發(fā)送到多自由度云臺(tái)控制器,控制器俯仰角控制電機(jī)改變相應(yīng)的角度進(jìn)行響應(yīng)。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于:
1、本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人及控制方法,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活易實(shí)現(xiàn)多自由度控制、體積小方便攜帶、各個(gè)姿態(tài)下推進(jìn)動(dòng)力強(qiáng);
2、水下機(jī)器人的浮心和重心基本重合,與現(xiàn)有水下機(jī)器人浮心和重心具有至少大于70mm的高度差相比,本發(fā)明的水下機(jī)器人能夠在復(fù)雜水流環(huán)境中穩(wěn)定性好;
3、水下機(jī)器人為對(duì)稱結(jié)構(gòu),且四個(gè)螺旋推進(jìn)器方向一致,通過改變水下機(jī)器人的姿態(tài)配合四個(gè)螺旋推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人向任何一個(gè)方向移動(dòng),和三自由度的空間操作;
4、耐壓艙內(nèi)的多自由度的云臺(tái)可以確保攝像頭的穩(wěn)定,并且任意方向的觀察;
5、自由度的云臺(tái)搭載雙攝像頭,攝像頭分別向上位機(jī)傳輸不同視角的影像,上位機(jī)通過解析可以形成3D的影像;
6、耐壓艙體和螺旋槳推進(jìn)器之間的連接體可折疊,進(jìn)一步提高機(jī)器人的可攜帶性;配重結(jié)構(gòu)可以改變水下機(jī)器人靜止時(shí)刻的受力情況,以便于簡(jiǎn)化控制方法;
7、水下機(jī)器人通過臍帶纜和浮標(biāo)通訊模塊連接,現(xiàn)場(chǎng)用戶通過WiFi或其它無線連接浮標(biāo)通訊模塊可以實(shí)時(shí)的控制水下機(jī)器人和觀看水下機(jī)器人采集的視頻信息;
8、水下機(jī)器人可以通過反饋控制方法,實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人多自由度的運(yùn)行和操控;
9、水下機(jī)器人在姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),其角度一旦改變,通過控制芯片來糾正角度偏差,穩(wěn)定性好;
10、通過上位機(jī)控制多自由度云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),其上位機(jī)是指人操控的PC端,其多自由度云臺(tái)響應(yīng)的速度快,可保證最小視角的延伸,給用戶最佳體驗(yàn);
11、現(xiàn)場(chǎng)用戶端的配合的3D眼鏡與多自由度云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng),便于對(duì)多自由度云臺(tái)的控制操作。
附圖說明
附圖1是本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為多自由度云臺(tái)連接關(guān)系示意圖。
附圖3為螺旋推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。
附圖5為左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。
附圖6為前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。
附圖7為水下機(jī)器人運(yùn)行連接示意圖。
附圖8為本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人控制方法控制框圖。
附圖9為多自由度云臺(tái)控制框圖。
附圖10為本發(fā)明的另一種無人遙控水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖11為另一種多自由度云臺(tái)連接關(guān)系示意圖。
附圖12為另一種上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。
附圖13為另一種左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。
附圖14為另一種前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說明。
附圖中涉及的附圖標(biāo)記和組成部分如下所示:
1.浮體結(jié)構(gòu) 2.殼體
21.固定架 22.連接體
23.配重結(jié)構(gòu) 3.密封裝置
4.螺旋推進(jìn)器 41.第一螺旋推進(jìn)器
42.第二螺旋推進(jìn)器 43.第三螺旋推進(jìn)器
44.第四螺旋推進(jìn)器 45.中心軸
46.葉片 47.保護(hù)環(huán)
5、耐壓艙 6.多自由度云臺(tái)
61.俯仰角控制電機(jī) 62.橫滾角控制電機(jī)
63.偏航角控制電機(jī) 64.攝像頭
8.水下機(jī)器人 81.臍帶纜
82.浮標(biāo)通訊模塊 83.現(xiàn)場(chǎng)用戶
84.云端 85.互聯(lián)網(wǎng)用戶
實(shí)施例1
請(qǐng)參照?qǐng)D1,圖1是本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人8結(jié)構(gòu)示意圖。一種無人遙控水下機(jī)器人8,所述水下機(jī)器人8設(shè)有浮體結(jié)構(gòu)1、殼體22、密封裝置3;所述殼體22為圓柱形;所述殼體22外表面裝配有固定架21;所述固定架21上設(shè)有連接體22;所述連接體22為折疊式結(jié)構(gòu);所述連接體22與配重結(jié)構(gòu)23連接;所述配重結(jié)構(gòu)23另一端連接螺旋推進(jìn)器4;所述螺旋推進(jìn)器4間隔90度對(duì)稱排列;所述螺旋推進(jìn)器4共有4個(gè),分別為第一螺旋推進(jìn)器41、第二螺旋推進(jìn)器42、第三螺旋推進(jìn)器43、第四螺旋推進(jìn)器44;所述螺旋推進(jìn)器4的朝向一致;所述密封裝置3通過緊密配合的方式固定在殼體22一端,其密封裝置3與殼體22組合的空間為耐壓艙5;所述耐壓艙5內(nèi)設(shè)有主控板、重力加速度儀、地磁傳感器、陀螺儀傳感器、壓力傳感器、聲吶傳感器、姿態(tài)傳感器、濕度傳感器、多自由度云臺(tái)6;所述主控板通過I2C或其它通訊協(xié)議和螺旋推進(jìn)器4的控制器進(jìn)行通訊,通過串口和多自由度云臺(tái)6的控制器進(jìn)行通訊。
請(qǐng)參照?qǐng)D2,圖2為多自由度云臺(tái)6連接關(guān)系示意圖。所述多自由度云臺(tái)6上連接有俯仰角控制電機(jī)61、橫滾角控制電機(jī)62、偏航角控制電機(jī)63;所述的俯仰角控制電機(jī)61、橫滾角控制電機(jī)62、偏航角控制電機(jī)63位于三維空間坐標(biāo)軸方向上,兩兩相互垂直的方式排列;所述的多自由度云臺(tái)6上安裝有兩個(gè)攝像頭64;所述多自由度云臺(tái)6上還設(shè)有控制器,其控制器內(nèi)設(shè)有主控芯片;
請(qǐng)參照?qǐng)D3,圖3為螺旋推進(jìn)器4的結(jié)構(gòu)示意圖。所述的螺旋推進(jìn)器4包括中心軸45、葉片46、保護(hù)環(huán)47;所述的中心軸45一端設(shè)有葉片46,另一端呈子彈頭形;所述葉片46外周面設(shè)有保護(hù)環(huán)47。所述保護(hù)環(huán)47呈錐臺(tái)形,其小端面位于浮體結(jié)構(gòu)1的一端。
請(qǐng)參照?qǐng)D4-圖6,圖4為上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖,圖5為左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖,圖6為前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。水下機(jī)器人8任何一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)轉(zhuǎn)換是通過控制螺旋推進(jìn)器4的轉(zhuǎn)向以及不同螺旋推進(jìn)器4的作用位置來實(shí)現(xiàn)的。即上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)間可相互轉(zhuǎn)換。機(jī)器人放入水中如圖4所示的上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可以通過螺旋推進(jìn)器4的推力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升 和下潛;第一螺旋推進(jìn)器41和第二螺旋推進(jìn)器42正轉(zhuǎn)提供向上的推力,第三螺旋推進(jìn)器43和第四螺旋推進(jìn)器44反轉(zhuǎn)提供向下的推力可以使機(jī)器人從上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變成左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài),通過機(jī)身的傳感器探測(cè)到機(jī)身達(dá)到設(shè)定的左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài),四個(gè)螺旋推進(jìn)器4同時(shí)正轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)向左右方向運(yùn)動(dòng);同樣的在靜止?fàn)顟B(tài)可以通過控制四個(gè)螺旋推進(jìn)器4讓水下機(jī)器人8到達(dá)自己想要的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),然后再向控制的方向運(yùn)動(dòng)。如圖4所示的上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也可以直接通過第一螺旋推進(jìn)器41、第三螺旋推進(jìn)器43和第二螺旋推進(jìn)器42、第四螺旋推進(jìn)器44的差動(dòng)使得水下機(jī)器人8改變方向到達(dá)想要控制機(jī)器人達(dá)到的方向,即通過對(duì)稱方向的螺旋推進(jìn)器4的差動(dòng)改變水下機(jī)器人8的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),通過不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)由四個(gè)螺旋推進(jìn)器4的推力推使水下機(jī)器人8向任意方向運(yùn)動(dòng)。
請(qǐng)參照?qǐng)D7,圖7為水下機(jī)器人運(yùn)行連接示意圖。水下機(jī)器人8通過臍帶纜81和水面上的浮標(biāo)通訊模塊82連接,水上浮標(biāo)通訊模塊82通過WiFi或其它無線連接與現(xiàn)場(chǎng)用戶83的PC連接,現(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過3G/4G信號(hào)與云端84連接,云端84可以通過互聯(lián)網(wǎng)和任意的互聯(lián)網(wǎng)用戶85連接?,F(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過PC端將命令發(fā)送給浮標(biāo)通訊模塊,浮標(biāo)通訊模塊82通過臍帶纜81讓命令轉(zhuǎn)發(fā)給水下機(jī)器人8進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí),水下機(jī)器人8的立體攝像頭64和多種傳感器測(cè)到的信息通過臍帶纜81發(fā)送給浮標(biāo)通訊模塊82,浮標(biāo)通訊模塊82通過WiFi將信息轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)用戶83的PC端,現(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過PC端觀看立體影像,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過3G/4G信號(hào)將立體影像上傳到云端84,任意一位互聯(lián)網(wǎng)用戶85都可以訪問云端84觀看實(shí)時(shí)的視頻信息。而且,得到現(xiàn)場(chǎng)用戶83授權(quán)的互聯(lián)網(wǎng)用戶85也可以通過云端84向水下機(jī)器人8發(fā)送命令,可以實(shí)時(shí)的控制水下機(jī)器人8和觀看水下機(jī)器人8采集的視頻信息。
本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人8控制方法包括以下步驟:步驟S1,通過反饋控制實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人8多自由度的運(yùn)行和操控;
請(qǐng)參照?qǐng)D8,圖8為本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人控制方法控制框圖。一種無人遙控水下機(jī)器人8控制方法,主控板接受PC端給定的命令,然后根據(jù)姿態(tài)傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋信息,構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制,通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制器計(jì)算后輸出給螺旋推進(jìn)器4的控制器,螺旋推進(jìn)器4的控制器控制螺旋推進(jìn)器4運(yùn)動(dòng)到達(dá)給定的控制命令。
新型水下機(jī)器人8控制方案設(shè)計(jì)的理論依據(jù):
坐標(biāo)系建立:設(shè)定載體相對(duì)于原點(diǎn)參考坐標(biāo)系x,y,z。記載體坐標(biāo)系的俯 仰角為θ,橫滾角為φ,偏航角為ψ,可得載體坐標(biāo)系相對(duì)于地理參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為:
由于三個(gè)軸兩兩正交,則可知,任意空間姿態(tài)均可由這三種旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn):先轉(zhuǎn)動(dòng)偏航角ψ,再轉(zhuǎn)動(dòng)俯仰角度θ,最后轉(zhuǎn)動(dòng)橫滾角度φ,根據(jù)歐拉公式得到的旋轉(zhuǎn)矩陣為:
新舊姿態(tài)之間關(guān)系可以由新舊載體坐標(biāo)系的關(guān)系得出:
新型水下機(jī)器人8的動(dòng)力學(xué)模型:通過模型的近似螺旋推進(jìn)器4的推力F和反扭矩M與螺旋槳轉(zhuǎn)速ω2之間是倍數(shù)關(guān)系設(shè)為KF,KM。
假定所有4個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力都能很好的與垂直方向(載體坐標(biāo)系的Z軸)平行排列,在低速或者靜態(tài)情況下建立新型水下機(jī)器人8的動(dòng)力學(xué)模型。定義推力T為四個(gè)螺旋槳升力的總和。因此,在載體坐標(biāo)系中表示的水下機(jī)器人8的合力為:
將F進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到新型水下機(jī)器人8在地理參考坐標(biāo)系的受力為:
設(shè)定新型水下機(jī)器人8的體積為V,則根據(jù)牛頓第二定律可得新型水下機(jī)器人8在地理參考坐標(biāo)系中動(dòng)力學(xué)方程為:
定義Mθ,Mφ,Mψ分別為新型水下機(jī)器人8載體坐標(biāo)系x,y,z坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)矩,Iθ、Iφ、Iψ分別為新型水下機(jī)器人8載體坐標(biāo)系x,y,z坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由載體坐標(biāo)系兩兩正交則得水下機(jī)器人8的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為:
其中Mθ=(F1-F3)l,Mφ=(F2-F4)l。l為水下機(jī)器人8重心到每個(gè)螺旋槳的主軸的長(zhǎng)度。
Mψ是由四個(gè)螺旋槳之間的反扭矩形成的,設(shè)c=KM/KF則得:
Mψ=M1-M2+M3-M4
=cF1-cF2+cF3-cF4
為使得控制邏輯簡(jiǎn)單化,定義被控對(duì)象的輸入量:
則可得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:
步驟S2,其步驟S1中,通過閉環(huán)反饋控制對(duì)水下機(jī)器人8運(yùn)動(dòng)操控后,其水下機(jī)器人8的俯仰角θ、橫滾角φ、偏航角ψ會(huì)有偏差,通過主控芯片糾正多自由度云臺(tái)6角度偏差,請(qǐng)參照?qǐng)D9,圖9為多自由度云臺(tái)6控制框圖。水下機(jī)器人8在進(jìn)行姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),其俯仰角、橫滾角、偏航角會(huì)發(fā)生變化,通過控制多自由度云臺(tái)6來糾正角度偏差,具體如下:水下機(jī)器人8的多自由度平臺(tái)上設(shè)有俯仰角控制電機(jī)61、橫滾角控制電機(jī)62、偏航角控制電機(jī)63。在上位機(jī)沒有給定多自由度云臺(tái)6轉(zhuǎn)動(dòng)命令的時(shí)候,主控板記錄水下機(jī)器人8姿態(tài)這一時(shí)刻的θ,φ,ψ的值,如果水下機(jī)器人8傳感器讀到的ψ發(fā)生改變,主控芯片會(huì)將此時(shí)的變化差值發(fā)給多自由度云臺(tái)6的控制器,多自由度云臺(tái)6的控制器通過設(shè)定的控制算法控制偏航角控制電機(jī)63向相反方向偏轉(zhuǎn)相同的差值從而使得立體攝像頭64保持穩(wěn)定;如果水下機(jī)器人8傳感器讀到的θ發(fā)生改變,主控芯片會(huì)將此時(shí)的變化差值發(fā)給多自由度云臺(tái)6的控制器,多自由度云臺(tái)6的控制器通過設(shè)定的控制算法控制俯仰角控制電機(jī)61向相反方向偏轉(zhuǎn)相同的差值從而使得立體攝像頭64保持穩(wěn)定;如果水下機(jī)器人8傳感器讀到φ的發(fā)生改變,主控芯片會(huì)將此時(shí)的變化差值發(fā)給多自由度云臺(tái)6的控制器,多自由度云臺(tái)6的控制器通過設(shè)定的控制算法控制橫滾角控制電機(jī)62向相反方向偏轉(zhuǎn)相同的差值從而使得立體攝像頭64保持穩(wěn)定。
步驟S3,通過上3D眼鏡控制多自由度云臺(tái)6運(yùn)動(dòng),其多自由度云臺(tái)6響應(yīng)的速度快,可保證最小視角的延伸,給用戶最佳體驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)用戶83使用的3D眼鏡進(jìn)行抬頭或者低頭操作時(shí),3D眼鏡會(huì)將改變的φ值通過通信線路發(fā)送到主控板,主控板再將命令發(fā)送到多自由度云臺(tái)6的控制器,控制器控制橫滾 電機(jī)改變相應(yīng)的角度進(jìn)行響應(yīng);現(xiàn)場(chǎng)用戶83使用的3D眼鏡進(jìn)行左轉(zhuǎn)頭或者右轉(zhuǎn)頭操作時(shí),3D眼鏡會(huì)將改變的ψ值通過通信線路發(fā)送到主控板,主控板再將命令發(fā)送到多自由度云臺(tái)6控制器,控制器控制偏航角控制電機(jī)63改變相應(yīng)的角度進(jìn)行響應(yīng)。3D眼鏡進(jìn)行向前傾斜或向后傾斜時(shí),3D眼鏡會(huì)將改變的θ值通過通信電路發(fā)送到主板,主板再將命令發(fā)送到多自由度云臺(tái)6控制器,控制器俯仰角控制電機(jī)61改變相應(yīng)的角度進(jìn)行響應(yīng)。使得機(jī)器人姿態(tài)和多自由度云臺(tái)6的動(dòng)作可以和操控設(shè)備,如3D眼鏡和PAD的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的配合來實(shí)現(xiàn),即3D眼鏡的姿態(tài)和多自由度云臺(tái)6為同步運(yùn)動(dòng),當(dāng)3D眼鏡向右移動(dòng)時(shí),其多自由度云臺(tái)6也向右移動(dòng)。
需要說明的是:配重結(jié)構(gòu)23的位置置于浮體結(jié)構(gòu)1的近端,其配重結(jié)構(gòu)23可以抬高重心,使得重心和浮心基本重合,在復(fù)雜水流環(huán)境中穩(wěn)定性好,靈活機(jī)動(dòng),可高效工作,其次,其傳統(tǒng)水下機(jī)器人8的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是浮心和重心的高度差至少大于70mm,其體積較大,連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與傳統(tǒng)水下機(jī)器人8相比,體節(jié)小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;另外,配重結(jié)構(gòu)23可以改變水下機(jī)器人8靜止時(shí)刻的受力情況,以便于簡(jiǎn)化控制方法,配重結(jié)構(gòu)23可以根據(jù)需求改變配重,改變機(jī)器人水下靜止時(shí)刻的受力,以便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制;
螺旋推進(jìn)器4為四個(gè),且四個(gè)螺旋推進(jìn)器4的朝向相同,使得水下機(jī)器人8在六個(gè)自由度方向同時(shí)能夠使四個(gè)螺旋推進(jìn)器4提供動(dòng)力,推動(dòng)力強(qiáng)。螺旋推進(jìn)器4的中心軸45一端部為子彈頭形設(shè)計(jì),保護(hù)環(huán)47為錐臺(tái)形設(shè)計(jì),有效減小流體阻力;螺旋推進(jìn)器4對(duì)稱分布在一周上,在控制水下機(jī)器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),通過控制螺旋推進(jìn)器4轉(zhuǎn)向以及作用位置就可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退、左移和右移、轉(zhuǎn)向、上升和下降,靈活性好;螺旋推進(jìn)器4的數(shù)量不限本實(shí)施的個(gè)數(shù),可根據(jù)實(shí)際情況安裝不同數(shù)量的螺旋推進(jìn)器4;
連接體22為折疊式結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高機(jī)器人的可攜帶性,占用空間?。粓A柱形殼體22設(shè)計(jì),內(nèi)部空間利用率高,且流動(dòng)阻力??;浮體結(jié)構(gòu)1可以改變水下機(jī)器人8靜止?fàn)顟B(tài)所受的合力,浮體結(jié)構(gòu)1為半圓形設(shè)計(jì),可減少運(yùn)動(dòng)過程中的助力;耐壓艙5內(nèi)還預(yù)留有即插即用的插拔口,可以根據(jù)工作需要添加需要的傳感器。多自由度云臺(tái)6可以確保攝像頭64穩(wěn)定,并且任意方向觀察;
由水下機(jī)器人8的對(duì)稱結(jié)構(gòu)決定水下機(jī)器人8高度的靈活性的基礎(chǔ)上,通過不同的姿態(tài)可以向不同的方向前進(jìn)和艇身的姿態(tài)。同時(shí)在水下機(jī)器人8前進(jìn) 或者改變姿態(tài)的過程中由多自由度的云臺(tái)可以保證攝像頭64的穩(wěn)定,和任意角度的視頻觀察方向,另外自由度的云臺(tái)搭載雙攝像頭64,攝像頭64分別向上位機(jī)傳輸不同視角的影像,上位機(jī)通過解析可以形成3D的影像;
運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)為水下機(jī)器人8的航行姿態(tài)數(shù)據(jù),包括:三軸加速度、三軸偏轉(zhuǎn)角、三軸角加速度、三軸磁通量等。信息傳感數(shù)據(jù)為水下機(jī)器人8的環(huán)境數(shù)據(jù),包括:下潛深度、距離水底深度等;
浮標(biāo)通訊模塊82浮于水面上,并且與現(xiàn)場(chǎng)用戶83和云端84進(jìn)行通信,用于通過臍帶纜81與水下機(jī)器人8連接以通過臍帶纜81接收上述運(yùn)動(dòng)及任務(wù)指令,并在水下機(jī)器人8的拖曳下運(yùn)動(dòng),同時(shí)獲取水下機(jī)器人8的定位信息和姿態(tài)信息;
浮標(biāo)通訊模塊82上還設(shè)有自動(dòng)收線纜系統(tǒng),自動(dòng)收放線纜系統(tǒng)位于浮標(biāo)通訊模塊82的上方,用于調(diào)整臍帶纜81的長(zhǎng)度以控制浮標(biāo)通訊系統(tǒng)在水下機(jī)器人8的拖曳下運(yùn)動(dòng)。具體地,自動(dòng)收放線纜系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的深度,自動(dòng)調(diào)整臍帶纜81的長(zhǎng)短,從而保證水下機(jī)器人8的定位精度。在本發(fā)明的實(shí)施例中,CAN線纜的長(zhǎng)度可以為200米。
實(shí)施例2
請(qǐng)參照?qǐng)D10,圖10為本發(fā)明的另一種無人遙控水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。所述的水下機(jī)器人8包括殼體22、螺旋推進(jìn)器4、連接體22;所述殼體22為球形,其兩端設(shè)有開口;所述開口裝配有連接體22,所述連接體22上連接有螺旋推進(jìn)器4;所述螺旋推進(jìn)器4共有4個(gè),分別為第一螺旋推進(jìn)器41、第二螺旋推進(jìn)器42、第三螺旋推進(jìn)器43、第四螺旋推進(jìn)器44;所述螺旋推進(jìn)器4的朝向一致;所述螺旋推進(jìn)器4與連接體22間設(shè)有配重結(jié)構(gòu)23;所述連接體22與殼體22密封形成耐壓艙5;所述耐壓艙5內(nèi)設(shè)有主控板、重力加速度儀、地磁傳感器、陀螺儀傳感器、壓力傳感器、聲吶傳感器、姿態(tài)傳感器、濕度傳感器、多自由度云臺(tái)6;所述主控板通過I2C或其它通訊協(xié)議和螺旋推進(jìn)器4的控制器進(jìn)行通訊,通過串口和多自由度云臺(tái)6的控制器進(jìn)行通訊。
請(qǐng)參照?qǐng)D11,圖11為另一種多自由度云臺(tái)連接關(guān)系示意圖。所述多自由度云臺(tái)6上連接有俯仰角控制電機(jī)61、橫滾角控制電機(jī)62、偏航角控制電機(jī)63;所述的俯仰角控制電機(jī)61、橫滾角控制電機(jī)62、偏航角控制電機(jī)63位于三維空間坐標(biāo)軸上,兩兩相互垂直的方式排列;所述的多自由度云臺(tái)6上安裝有兩個(gè)攝像頭64;所述多自由度云臺(tái)6上還設(shè)有控制器,其控制器內(nèi)設(shè)有主控 芯片;
請(qǐng)參照?qǐng)D3,圖3為螺旋推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。所述的螺旋推進(jìn)器4包括中心軸45、葉片46、保護(hù)環(huán)47;所述的中心軸45一端設(shè)有葉片46,另一端呈子彈頭形;所述葉片46外周面設(shè)有保護(hù)環(huán)47。所述保護(hù)環(huán)47呈錐臺(tái)形,其小端面位于浮體結(jié)構(gòu)1的一端。
請(qǐng)參照?qǐng)D7,圖7為水下機(jī)器人運(yùn)行連接示意圖。水下機(jī)器人8通過臍帶纜81和水面上的浮標(biāo)通訊模塊82連接,水上浮標(biāo)通訊模塊82通過WiFi或其它無線連接與現(xiàn)場(chǎng)用戶83的PC連接,現(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過3G/4G信號(hào)與云端84連接,云端84可以通過互聯(lián)網(wǎng)和任意的互聯(lián)網(wǎng)用戶85連接?,F(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過PC端將命令發(fā)送給浮標(biāo)通訊模塊82,浮標(biāo)通訊模塊82通過臍帶纜81讓命令轉(zhuǎn)發(fā)給水下機(jī)器人8進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí),水下機(jī)器人8的立體攝像頭64和多種傳感器測(cè)到的信息通過臍帶纜81發(fā)送給浮標(biāo)通訊模塊82,浮標(biāo)通訊模塊通過WiFi將信息轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)用戶83的PC端,現(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過PC端觀看立體影像,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)用戶83可以通過3G/4G信號(hào)將立體影像上傳到云端84,任意一位互聯(lián)網(wǎng)用戶85都可以訪問云端84觀看實(shí)時(shí)的視頻信息。而且,得到現(xiàn)場(chǎng)用戶83授權(quán)的互聯(lián)網(wǎng)用戶85也可以通過云端84向水下機(jī)器人8發(fā)送命令,可以實(shí)時(shí)的控制水下機(jī)器人8和觀看水下機(jī)器人8采集的視頻信息。
請(qǐng)參照?qǐng)D12-圖14,圖12為另一種上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖,圖13為另一種左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖,圖14為另一種前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖。水下機(jī)器人8不同方向的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)轉(zhuǎn)換是通過控制螺旋推進(jìn)器4的轉(zhuǎn)向以及不同螺旋推進(jìn)器4的作用位置來實(shí)現(xiàn)。即上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)間可相互轉(zhuǎn)換。機(jī)器人放入水中如圖12所示的上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可以通過螺旋推進(jìn)器4的推力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升和下潛;第一螺旋推進(jìn)器41和第二螺旋推進(jìn)器42正轉(zhuǎn)提供向上的推力,第三螺旋推進(jìn)器43和第四螺旋推進(jìn)器44反轉(zhuǎn)提供向下的推力可以使機(jī)器人從上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變成左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài),通過機(jī)身的傳感器探測(cè)到機(jī)身達(dá)到設(shè)定的左右運(yùn)動(dòng)姿態(tài),四個(gè)螺旋推進(jìn)器4同時(shí)正轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)向左右方向運(yùn)動(dòng);同樣的在靜止?fàn)顟B(tài)可以通過控制四個(gè)螺旋推進(jìn)器4讓水下機(jī)器人8到達(dá)自己想要的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),然后再向控制的方向運(yùn)動(dòng)。如圖12所示的上下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也可以直接通過第一螺旋推進(jìn)器41、第三螺旋推進(jìn)器43和第二螺旋推進(jìn)器42、第四螺旋推進(jìn)器44的差動(dòng)使得水下機(jī)器人8改變方向到達(dá)想要控制機(jī)器人達(dá)到的方向。
本實(shí)施例與實(shí)施例1相比,其控制方法相同,結(jié)構(gòu)形狀基本相同,最主要的不同之處在于:本實(shí)施例沒有具體的浮體結(jié)構(gòu)1,其殼體22為球形,球形殼體22具有浮體結(jié)構(gòu)1的作用,實(shí)質(zhì)是浮體結(jié)構(gòu)1的簡(jiǎn)化形式,使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,體節(jié)更小,同時(shí)通過配重改變靜止?fàn)顟B(tài)的所受的合力以達(dá)到預(yù)期的效果便于控制。另外,殼體2的形狀不局限與是實(shí)施例1中的圓柱形和實(shí)施例2中的球形,殼體2的形狀可根據(jù)減少阻力的目的進(jìn)行其它形狀的設(shè)計(jì),其圓柱形殼體2和球形殼體2只是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
本發(fā)明的一種無人遙控水下機(jī)器人及控制方法,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活易實(shí)現(xiàn)多自由度控制、體積小方便攜帶、各個(gè)姿態(tài)下推進(jìn)動(dòng)力強(qiáng);水下機(jī)器人8的浮心和重心基本重合,與現(xiàn)有水下機(jī)器人8浮心和重心具有至少大于70mm的高度差相比,本發(fā)明的水下機(jī)器人8能夠在復(fù)雜水流環(huán)境中穩(wěn)定性好;水下機(jī)器人8為對(duì)稱結(jié)構(gòu),且四個(gè)螺旋推進(jìn)器4方向一致,通過改變水下機(jī)器人8的姿態(tài)配合四個(gè)螺旋推進(jìn)器4來實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人8向任何一個(gè)方向移動(dòng),和三自由度的空間操作;耐壓艙5內(nèi)的多自由度的云臺(tái)可以確保攝像頭64的穩(wěn)定,并且任意方向的觀察;自由度的云臺(tái)搭載雙攝像頭64,攝像頭64分別向上位機(jī)傳輸不同視角的影像,上位機(jī)通過解析可以形成3D的影像;耐壓艙5體和螺旋槳推進(jìn)器之間的連接體22可折疊,進(jìn)一步提高機(jī)器人的可攜帶性;配重結(jié)構(gòu)23可以改變水下機(jī)器人8靜止時(shí)刻的受力情況,以便于簡(jiǎn)化控制方法;水下機(jī)器人8通過臍帶纜81和浮標(biāo)通訊模塊82連接,現(xiàn)場(chǎng)用戶83通過WiFi或其它無線連接浮標(biāo)通訊模塊82可以實(shí)時(shí)的控制水下機(jī)器人8和觀看水下機(jī)器人8采集的視頻信息;水下機(jī)器人8可以通關(guān)反饋控制方法,實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人8多自由度的運(yùn)行和操控;水下機(jī)器人8在姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),其角度一旦改變,通過控制芯片來糾正角度偏差,穩(wěn)定性好;通過上位機(jī)控制多自由度云臺(tái)6轉(zhuǎn)動(dòng),其上位機(jī)是指人操控的PC端,其多自由度云臺(tái)6響應(yīng)的速度快,可保證最小視角的延伸,給用戶最佳體驗(yàn);現(xiàn)場(chǎng)用戶83端的配合的3D眼鏡與多自由度云臺(tái)6可實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng),便于對(duì)多自由度云臺(tái)6的控制操作。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明方法的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和補(bǔ)充,這些改進(jìn)和補(bǔ)充也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。