[發明專利]一種矢量推進的小型四軸水下機器人控制系統

無效

• 申請號: 201410091538.8
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103823471A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 羅慶生;金誠;梁偉棟;張浩;許珂;陳怡然
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，特別是關于一種矢量推進的小型四軸水下機器人的控制系統。

背景技術

水下機器人是一種可以在水中游動、作業或從事專門工作的水下航行裝置。目前，水下機器人在我國已經有了非常廣泛的應用，特別是在海洋湖泊的資源勘探、環境監測、地質地貌勘探調查等領域發揮著不可替代的作用。

矢量推進系統可以為小型水下機器人提供強勁的動力，還可為水下機器人自身姿態與航行狀態的調整提供有力幫助。目前應用前景較好的自治水下機器人（AUV）的矢量推進方式大多采用噴水驅動原理，其優點一是水下機器人在低速下仍然具有高可控性與高機動性；二是水下機器人能迅速改變航行方向，實現快速轉向。但水下機器人是在水中運動的具有六自由度的剛體，其本身就是一個強耦合的非線性系統，再加上矢量推進系統，使得控制問題變得復雜與困難。常規的水下機器人控制系統，特別是自治水下機器人控制系統，多采用集中式控制方式，即由主控計算機實現對所有傳感器和設備的數據采集及控制。但這種控制方式使主控計算機的工作任務十分繁重，效率較低，而且一旦主控計算機出現故障，整個系統就會癱瘓，可靠性差；由于主控計算機的各種通道、地址、中斷資源有限，很難隨意增加其他設備，可擴展性差。隨著水下機器人本身結構的復雜化以及用戶需求的多樣化，傳統的集中式控制方法已無法滿足水下機器人控制系統發展的需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種矢量推進的小型四軸水下機器人的控制系統，該系統采用與動物神經控制系統相似的結構，通過各層CPU之間的協同工作，實現對機器人各個關節的有效控制，在保證AUV具有足夠能動性和可靠性的同時，使其能夠利用傳感器信息融合系統實現對外部環境的實時感知，從而使AUV具有一定的自主運動能力。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

包括由數字舵機及直流噴水電機驅動的小型四軸水下機器人本體，智能決策系統、步態生成系統、驅動執行系統、多傳感器信息采集融合系統、電源系統和陸基/艇載監控系統。所述小型四軸水下機器人本體有四個結構相同的矢量推進機構，并在同一水平面均布于機器人圓盤狀機身，與四軸飛行器結構布局相同。每個矢量推進機構有兩個關節，其中，由靠近機器人中心的舵機實現一個矢量推進機構的軸向自由度，定義為內關節；遠離機器人中心的舵機實現一個矢量推進機構的徑向自由度，定義為外關節，直流噴水電機固定在機構最外端。

所述陸基/艇載監控系統包括多通道發射機、長波收發系統、上位機監測軟件，可建設于陸地、水面或搭載于艦艇上。航模發射機通過長波收發系統向AUV發送控制信號，AUV發送的傳感器數據、圖像信息由長波收發系統接收并實時顯示在上位機監測軟件上。

所述多傳感器信息采集融合系統包括數字信號處理器、多通道串口擴展板、視覺傳感器、三軸加速度計、單波束前視聲吶、壓力傳感器、溫度傳感器、艙內漏水傳感器、高度計、深度計、長波收發系統，用于接收航向控制信號和采集并融合傳感器數據。

所述智能決策系統通過CAN總線接收由多傳感器信息采集融合系統采集并融合的傳感器信息與陸基/艇載監控系統發射的航向控制信號，通過決策算法模塊分析生成所需決策指令。

所述步態生成系統包括雙口RAM控制器模塊、CPG步態規劃算法模塊、CAN總線控制器模塊，并通過CAN總線實現與所述驅動執行系統的信息傳遞。所述智能決策系統與所述步態生成系統通過雙口RAM連接，實現二者之間的數據通信。

所述驅動執行系統包括現場可編程門陣列和電機驅動器，現場可編程門陣列可以產生控制多路舵機和多路電機的PWM波，由電機驅動器驅動直流噴水電機。

本發明的一種矢量推進的小型四軸水下機器人控制系統將分級遞階控制系統與分布式控制系統（又稱為集散控制系統）有機結合，形成一種半自治集散遞階控制系統，既能實現控制任務的協調分配，又可保證系統的完整性。其核心在于AUV搭載的整個控制系統可劃分為三個層級：決策層、規劃層、執行層，每個層級由單CPU或多CPU構成。