一種水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器及自動軌跡跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，包括置于船載控制箱內(nèi)的控制器A和置于水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)的控制器B兩部分，二者通過鎧裝的臍帶電纜進(jìn)行通信，控制器A實(shí)時(shí)采集船載控制器控制面板的遙控控制指令，并將控制指令按照自定義的通信協(xié)議進(jìn)行編碼和組裝成幀，經(jīng)由通信模塊發(fā)送到水下控制器B；水下控制器B實(shí)時(shí)接收船載控制器A發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照協(xié)議格式解析出控制指令，進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，從而實(shí)現(xiàn)對水下機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)的控制。本發(fā)明采用有限時(shí)間軌跡跟蹤控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人對預(yù)定軌跡點(diǎn)的跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)水下剖面監(jiān)測機(jī)器人的大范圍、高精度運(yùn)動和姿態(tài)控制。
【專利說明】一種水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器及自動軌跡跟蹤控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器及自動軌跡跟蹤控制方法，屬于水下 監(jiān)測機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 水下機(jī)器人控制器一般采用集中控制方式，僅在水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)設(shè)有一個(gè)控 制器，通過多芯臍帶電纜將岸上的控制命令發(fā)送到水下控制器進(jìn)行采集，搖桿狀態(tài)與電纜 的芯數(shù)相對應(yīng)，這樣會增加臍帶電纜的重量，對水下機(jī)器人的姿態(tài)控制帶來了外界不利影 響。另一方面，供電方式多采用船載220VAC電源直接供電方式，通過臍帶電纜為水下機(jī)器 人供電，水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)設(shè)有電壓轉(zhuǎn)換模塊；但由于交流電會對通信質(zhì)量帶來影響，使 通信誤碼率較高，水下推進(jìn)器出現(xiàn)誤動作的幾率較高。另外，若船載直接轉(zhuǎn)換為水下控制器 電路板所需的工作電壓，則電壓在傳輸過程中由于電容效應(yīng)會出現(xiàn)壓降，達(dá)不到控制板電 路板的正常工作電壓。控制器之間較多采用485通信方式，其傳輸距離多能達(dá)到1000米左 右，由于受到水下擾動的影響，其傳輸距離進(jìn)一步縮短；485通信方式難以滿足剖面監(jiān)測具 有的大范圍、高深度監(jiān)測的特點(diǎn)。一般情形下光纜通信方式傳輸距離能達(dá)到幾公里，而且光 纜通信質(zhì)量好，誤碼率極低，質(zhì)量輕，對水下剖面監(jiān)測機(jī)器人帶來的擾動小，有利于機(jī)器人 的精確控制。為此，本發(fā)明旨在針對水下監(jiān)測機(jī)器人控制在電壓傳輸、通信距離和精度控制 方面的實(shí)際需求，進(jìn)行一種分布式水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)。為了減小機(jī)器人到 達(dá)預(yù)定軌跡點(diǎn)的時(shí)間，提出一種有限時(shí)間的軌跡點(diǎn)跟蹤控制方法，其在機(jī)器人的水下控制 器中實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡的快速無抖振控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在針對遙控式水下監(jiān)測機(jī)器人控制的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一種水下遙控機(jī)器 人控制器及自動軌跡跟蹤控制方法，可用于船載實(shí)時(shí)遙控水下機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人運(yùn) 動姿態(tài)的高精度姿態(tài)控制；還可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的自動軌跡跟蹤控制。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] -種水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，包括置于船載控制箱內(nèi)的控制器A和置于水下 機(jī)器人儀器艙內(nèi)的控制器B兩部分，二者通過鎧裝的臍帶電纜進(jìn)行通信，其中，控制器A實(shí) 時(shí)采集船載控制器控制面板的遙控控制指令，并將控制指令按照自定義的通信協(xié)議進(jìn)行 編碼和組裝成幀，經(jīng)由通信模塊發(fā)送到水下控制器B ;水下控制器B，實(shí)時(shí)接收船載控制器A 發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照協(xié)議格式解析出控制指令，進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動板上 的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，繼而驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)對水下機(jī)器人運(yùn)動姿 態(tài)的控制。
[0006] 進(jìn)一步地，控制器A和控制器B還包括有串口通信模塊、串口 /光纖轉(zhuǎn)換器和電壓 轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊A、電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊B;用于水下機(jī)器人控制器和船載控制器間的相互 通信，其還包括鎧裝的臍帶通信電纜，通過電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊B將供電電壓轉(zhuǎn)換為機(jī)器 人所需的工作電壓，并提供其與控制器A間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，保證信號傳輸?shù)臒o失真。
[0007] 進(jìn)一步地，所述的電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊A包含電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路，用于將岸上 電源進(jìn)行AC-DC電壓轉(zhuǎn)換和低壓差線性穩(wěn)壓的兩級電壓轉(zhuǎn)換，從而為電路提供穩(wěn)定的工作 電壓；電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊B，用于將電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊1轉(zhuǎn)換為水下機(jī)器人所需工作電 壓，為控制器B和機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)提供必需的工作電壓。
[0008] 進(jìn)一步地，所述水下機(jī)器人控制器之間的通信協(xié)議，采用自定義的通信協(xié)議幀，控 制器B按照協(xié)議格式解析出控制器A發(fā)送的控制指令。協(xié)議幀頭和幀尾均由1個(gè)字節(jié)組成。 控制命令字由1個(gè)字節(jié)組成，其相應(yīng)低4位數(shù)據(jù)位（從右至左）分別代表左側(cè)水平推進(jìn)其、 右側(cè)水平推進(jìn)器、左側(cè)垂直推進(jìn)器和右側(cè)垂直推進(jìn)器，高4為自動/手動切換。最高位用于 區(qū)分手動操控還是自動軌跡跟蹤控制，如果為〇,則為手動操控，如果為1，則為自動軌跡跟 蹤控制；循環(huán)冗余檢測（CRC)也由1個(gè)字節(jié)組成，控制器B通過CRC檢測算法計(jì)算出檢測未 位的值，并與接收到的CRC值進(jìn)行對比，完成對數(shù)據(jù)幀的差錯檢測，出現(xiàn)錯誤則丟棄該數(shù)據(jù) 包，不進(jìn)行機(jī)器人操控。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人對預(yù)定軌跡點(diǎn)的跟蹤控制，本發(fā)明中的自動軌跡跟蹤控制方法 為，采用有限時(shí)間跟蹤控制技術(shù)，使機(jī)器人在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對預(yù)定軌跡點(diǎn)的跟蹤控制，所 述的有限時(shí)間控制方法為：
[0010] 在水下機(jī)器人運(yùn)動平面內(nèi)建立兩個(gè)坐標(biāo)系，分別為慣性坐標(biāo)系和機(jī)器人本體坐標(biāo) 系。水下機(jī)器人標(biāo)稱運(yùn)動學(xué)方程為
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，其特征在于：包括置于船載控制箱內(nèi)的控制器A 和置于水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)的控制器B兩部分，二者通過鎧裝的臍帶電纜進(jìn)行通信，所述 控制器A實(shí)時(shí)采集船載控制器控制面板的遙控控制指令，并將控制指令按照自定義的通信 協(xié)議進(jìn)行編碼和組裝成幀，經(jīng)由通信模塊發(fā)送到水下控制器B ;所述水下控制器B實(shí)時(shí)接收 船載控制器A發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照協(xié)議格式解析出控制指令，進(jìn)而控制繼 電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，繼而驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)對水下 機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)的控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，其特征在于：所述控制器A和 控制器B還包括有串口通信模塊、串口 /光纖轉(zhuǎn)換器和電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊A、電壓轉(zhuǎn)換和 穩(wěn)壓模塊B ;用于水下機(jī)器人控制器和船載控制器間的相互通信，其還包括鎧裝的臍帶通 信電纜，通過電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊B將供電電壓轉(zhuǎn)換為機(jī)器人所需的工作電壓，并提供其 與控制器A間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，保證信號傳輸?shù)臒o失真。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，其特征在于：所述的電壓轉(zhuǎn)換 和穩(wěn)壓模塊A包含電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路，用于將岸上電源進(jìn)行AC-DC電壓轉(zhuǎn)換和低壓差線 性穩(wěn)壓的兩級電壓轉(zhuǎn)換，從而為電路提供穩(wěn)定的工作電壓；電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊B，用于將 電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊1轉(zhuǎn)換為水下機(jī)器人所需工作電壓，為控制器B和機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)提 供必需的工作電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，其特征在于：所述水下機(jī) 器人控制器之間的通信協(xié)議，采用自定義的通信協(xié)議幀，控制器B按照協(xié)議格式解析出控 制器A發(fā)送的控制指令；所述協(xié)議幀頭和幀尾均由1個(gè)字節(jié)組成，控制命令字由1個(gè)字節(jié) 組成，其相應(yīng)低4位數(shù)據(jù)位（從右至左）分別代表左側(cè)水平推進(jìn)其、右側(cè)水平推進(jìn)器、左側(cè) 垂直推進(jìn)器和右側(cè)垂直推進(jìn)器，高4為自動/手動切換；最高位用于區(qū)分手動操控還是自動 軌跡跟蹤控制，如果為0,則為手動操控，如果為1，則為自動軌跡跟蹤控制；循環(huán)冗余檢測 (CRC)也由1個(gè)字節(jié)組成，控制器B通過CRC檢測算法計(jì)算出檢測未位的值，并與接收到的 CRC值進(jìn)行對比，完成對數(shù)據(jù)幀的差錯檢測，出現(xiàn)錯誤則丟棄該數(shù)據(jù)包，不進(jìn)行機(jī)器人操控。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的水下剖面監(jiān)測機(jī)器人控制器，其特征在于：所述控制器 為一種實(shí)現(xiàn)機(jī)器人垂直剖面內(nèi)姿態(tài)監(jiān)測和閉環(huán)反饋的姿態(tài)隨動控制器，其由控制器B、深度 傳感器和驅(qū)動電機(jī)組成；所述控制器實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人對預(yù)定軌跡點(diǎn)的跟蹤控制，采用有限 時(shí)間跟蹤控制技術(shù)，使水下機(jī)器人在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對預(yù)定軌跡點(diǎn)的跟蹤；考慮到外界的 海流擾動、環(huán)境噪聲的影響以及軌跡控制的快速性，水下機(jī)器人的有限時(shí)間軌跡控制器就 是設(shè)計(jì)v，ω的估計(jì)值的控制律使水下機(jī)器人在有限的時(shí)間內(nèi)跟蹤上預(yù)定的參考軌跡 點(diǎn)，其中設(shè)計(jì)的有限時(shí)間控制律為：
從而實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人對一系列預(yù)定軌跡點(diǎn)的跟蹤控制。
【文檔編號】G05D1/10GK104090579SQ201410163840
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】袁健, 周忠海, 金光虎, 徐娟, 王越, 姚璞玉, 李俊曉, 王起維, 牟華, 臧鶴超 申請人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所