[发明专利]一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法

说明书

本发明提供了一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法，采用对水下机器人模型的机体姿态与机体深度及机体平面移动与机体姿态进行分离控制的方法，并分别在水下机器人框架结构内建立数学模型，利用传感器对水下机器人的机体状态进行检测，并反馈机体姿态的欧拉角与机体位置参数，与期望的机体姿态的欧拉角与机体位置参数进行做差处理，通过双闭环控制算法对机体位置和姿态的误差进行调节，继而对水下机器人的推进器转速进行控制，最终实现在水下复杂扰动的环境下水下机器人依然能够维持姿态的稳定控和运动到期望位置的控制，以确保水下机器人能够在水下顺利的执行规定动作，并完成水下目标任务。

技术领域

本发明涉及一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法，属于水下机器人控制技术领域。

背景技术

在我国，水下作业主要是依赖于人和简单的潜水器，而复杂多变的海洋和水下环境对人的生命安全造成很大的威胁，这就依赖于水下机器人代替人去执行水下作业任务，例如水下搜救打捞、考古科研、海洋生物观测、调查取证、海洋油气管道调查、能源勘探等工作，不仅可保障工作人员安全，还可以节约作业成本。同时由于水下环境的复杂性，要求水下机器人具备较高的机动性、稳定性和操作性的要求也越来越高，在水下机器人执行水下作业任务的过程中，水下机器人在水下环境多方面的扰动下仍然能够做出指定动作来完成规定任务，这就要求水下机器人能够实时调整自身姿态，使机体能够保持姿态稳定，从而保证机器人能够做出规定的动作来完成目标任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法，解决现有技术中存在的不足和缺陷，能够为实现机器人水下悬停和执行任务时保持机体姿态的稳定，提升水下机器人在水下执行任务时的稳定性、快速性和准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立水下机器人的姿态数学模型和深度数学模型；

本步骤对水下机器人模型在翻滚角Φ、俯仰角Θ的机体姿态与在Z轴向的深度及在X轴向、Y轴向的机体平面移动与在偏航角Ψ的机体姿态进行分离控制，并分别建立数学模型；

步骤二、给定水下机器人机体的在翻滚角Φ_d、俯仰角Θ_d、偏航角Ψ_d的期望姿态稳定参数和在深度Z_d的期望深度值；

步骤三、采用传感器对水下机器人在翻滚角Φ、俯仰角Θ、偏航角Ψ的机体姿态和在深度Z的深度状态的信息进行采集；

步骤四、将水下机器人机体的期望姿态和深度数据与机体状态的采集反馈数据进行对比；

步骤五、对水下机器人机体的姿态和深度的控制，加入双闭环PID算法进行调节；

步骤六、根据步骤一中的数学模型，对内环PID输出项进行力学模型处理；

本步骤采用步骤一中所述水下机器人在翻滚角Φ、俯仰角Θ的机体姿态与在Z轴向的深度及在X轴向、Y轴向的机体平面移动与在偏航角Ψ的机体姿态建立分离式控制模型，而在翻滚角Φ、俯仰角Θ的水下机器人的机体姿态的稳定与在Z轴向的深度的调整采用垂直方向的四台推进器进行控制，参考四旋翼飞行器机体控制模型的原有四个虚拟输入量、、、，如下式所示。

式中：为螺旋桨升力系数、为螺旋桨对机体质心的扭矩系数、为推进器到机体质心的距离。对四旋翼飞行器机体控制模型的原有四个虚拟输入量、、、，进行重新配置，应用于在翻滚角Φ、俯仰角Θ的 水下机器人与在Z轴向的深度的控制。

进一步对上式进行处理，可得：

式中矩阵。