[发明专利]水下机器人位姿控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下机器人位姿控制方法。

背景技术

近年来，水下机器人的研究逐渐成为航海研究中的新的前沿和热点的问题。水下机器人在深海中的应用前景也随着海底探矿，海底电缆维护的发展而更为宽广，同时对水下机器人机动性和操纵性的要求也越来越高，在水下机器人执行任务的过程中，不但要求其在环境扰动下能够按照预定的轨迹运动，而且在许多情况下需要利用水下机器人对目标物进行更细致的观察和操作，这就需要水下机器人相对于目标物的位置保持不变，即要求水下机器人具有能够抵抗环境扰动的较高的姿态稳定性，这样才能顺利的完成细致、复杂的工作。

但是目前，许多水下机器人在水下姿态自动调整方面没有投入太大的精力，机器人定点悬浮，抵抗扰流的能力较弱。机器人在水下完成的任务有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下机器人位姿控制方法，能够实现机器人在水中的姿态平稳，解决现有技术中存在的机器人定点悬浮，抵抗扰流的能力较弱，机器人在水下完成的任务有限的问题。

水下机器人，又称无人潜水器，是一种作业于水下的极限作业机器人；

位姿：位姿分为位置和姿态，是描述机器人在空间中的位置和其自身的姿态；

欧拉角：确定定点转动刚体位置的3个一组独立角参量，分别有偏航角ψ，俯仰角θ，翻滚角Φ。

本发明的技术解决方案是：

一种水下机器人位姿控制方法，

采用平衡结构设计，对对称的框架结构进行建模，

传感器测得机器人姿态的俯仰角、翻滚角、偏航角；

与期望值做差值得到误差，通过PID算法对误差进行调节，对电机进行控制，使姿态保持平衡。

进一步地，平衡结构为重心向下、对称的自稳定框架结构。

进一步地，平衡结构具体为：采用方形框架结构，八个电机对称的安装在框架上，形成对称的结构，八个电机分成两个部分，

其中，四个电机分别竖直的安装在框架的四个直立的杆子上，通过正反转控制机器人的上升和下降；另外四个电机安装在框架的底部，控制机器人的前进后退。

进一步地，传感器系统包括MPU6050三轴陀螺仪、加速度计、AK8975电子罗盘、HSTL-18液位变送器；MPU6050三轴陀螺仪、加速度计测得机器人在x,y,z轴上旋转的角度以及加速度，经过转换成四元数；AK8975电子罗盘测得机器人方向的磁偏角；HSTL-18液位变送器测量出机器人所在水中的深度。

进一步地，仿照四旋翼飞行器对水下机器人进行数学建模；传感器MPU6050三轴陀螺仪与加速度计，AK8975电子罗盘，HSTL-18液位变送器分别测出机器人姿态的四元数，偏航角和深度；利用PID算法对误差调节，输出量控制电机，使机器人的位姿保持平稳。

进一步地，实现水下机器人姿态的控制：

首先进行数学建模，采用欧拉角与四元数两种工具相结合的方法描述机器人在水下的姿态，先用传感器测定机器人姿态的四元数(w,x,y,z)，再将四元数转换成欧拉角得到偏航角(ψ)，俯仰角(θ)，翻滚角(Φ)；竖直放置的电机控制俯仰角、翻滚角，当机器人的姿态不是水平时，俯仰角和翻滚角就不是零，输入的俯仰角和翻滚角就是误差；

然后通过PID算法控制四个竖直方向的电机，将俯仰角和翻滚角调整为零。

进一步地，利用如下公式(1)将四元数转换成欧拉角得到偏航角(ψ)，俯仰角(θ)，翻滚角(Φ)，

进一步地，当机器人偏离任务水深时，液位变送器所测的深度与原来的深度相比较得到误差，然后利用PID算法，使机器人保持在任务水深。

进一步地，当机器人偏离理想直线时，电子罗盘的数值发生变化，这就是方向的误差，利用PID算法，对误差进行纠正，确保机器人运动保持理想直线状态。

本发明的有益效果是：该种水下机器人位姿控制方法，可以使机器人在水下具有能抵抗环境扰动的姿态稳定性，确保机器人顺利的完成细致，复杂的工作。能够实现操作员根据任务要求设定机器人的深度，灵活的让机器人停留在各种深度完成任务，操作更加人性化。并可以克服电机本征参数不完全相同，减少操作员的负担，还能够比较精确的到达任务区。

附图说明

图1是本发明实施例中水下机器人的结构示意图；

图2是机器人动作原理图；

图2的每个方向视图中，上面一排由左至右分别为1号电机、2号电机，下面一排由左至右分别为3号电机、4号电机。

具体实施方式