[发明专利]一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法

说明书

技术领域

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，具体涉及一种六自由度运动控制系统的过驱动作业型遥控水下机器人(ROV—Remotely Operated Vehicle)的推力分配方法。

背景技术

作业型ROV的最大特点是能在危险深海环境中完成高强度、大负荷和高精度作业，它是我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。开发作业型ROV仿真训练模拟器，可在虚拟环境中对作业人员进行岗位培训，并对水下作业进行预演，提高作业效率及安全性，具有重要的工程价值和现实意义。

本发明中研究的作业型ROV安装8台呈矢量布置型式的液压螺旋桨推进器，需要实现4-6个自由度的运动控制，是一种典型的过驱动运动控制系统。过驱动作业型ROV推力分配方法的难点主要包括以下四个方面：(1)一般水下机器人只需要控制3个(前进/后退、纵摇、转艏)自由度运动，而作业型ROV需要同时控制4-6个自由度运动，系统控制维数高，设计难度大。(2)本发明所研究的ROV安装8台矢量布置型式的液压推进器，实现ROV六自由度运动控制需要8台推进器同时动作，属于典型的过驱动系统的推力分配问题，如何将4-6个控制量合理的分配到8台推进器上，难度较大。(3)作业型ROV的推进器是一种伺服阀控制液压螺旋桨推进器，是一种典型的惯性环节，推力命令的执行存在较大的滞后特性，如果没有一种合适的过驱动系统推力分配方法，可能引起作业型ROV的8台液压推进器运动响应存在相位差，甚至将导致ROV运动产生稳态振荡现象。(4)液压推进器存在推力阈值和响应速率的的限制，实现推进器约束条件下过驱动ROV推力分配问题，是ROV控制系统设计主要难点之一。因此，过驱动系统的推力分配方法成为开发作业型ROV仿真训练模拟器和实际ROV作业装备的关键技术之一。

本发明在已知作业型ROV水动力学模型的基础上，根据过ROV的8台液压推进器呈矢量对称布置的特点，设计了一种过驱动系统的推力分配方法，能够实现将控制指令合理的分配成8台推进器的期望推力命令，经过推力合成矩阵，输出实际六自由度的推力和推力矩，最终实现满足ROV水下作业要求的六自由度运动控制，且有效的消除了稳态振荡现象，提升ROV的控制性能。本发明最终应用于作业型ROV仿真训练模拟器研制中，也可应用于ROV实际作业装备系统的研制中。

发明内容

本发明目的在于提供一种可应用于作业型ROV实际装备和仿真训练模拟器的过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法，先根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，在进行推力分配时，先将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的水平面三个控制量分别进行放大，分配成水平面的4台推进器的期望控制推力；将垂直面的三个控制量垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的垂直面三个控制量分别进行放大处理，分配成垂直面的4台推进器的期望控制推力。

所述的根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，根据8台推进器布置特点，将推进器分成两组：第一组水平面安装的4台推进器，用于控制ROV在水平面运动即纵向进退、横移和转艏，第二组垂直面安装的4台推进器，用于控制ROV在垂直面运动即垂向升沉、横倾和纵倾。

所述的将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，首先根据控制模式选择模块来选择操纵手柄模式有效，还是自动控制功能有效；然后，操纵手柄输出和自动功能输出的水平面控制命令之间呈比例关系；最后，将输出的水平面三个控制量：纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理。

所述的将垂直面的三个控制量垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理，首先根据控制模式选择模块来选择操纵手柄模式有效，还是自动控制功能有效；然后，操纵手柄输出的垂向推力命令和自动功能输出的垂向推力命令之间呈比例关系；最后，将输出的垂直面三个控制量：垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理。

本发明的有益效果在于：