[發(fā)明專利]混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510023272.8
• 申請(qǐng)日: 2015-01-16
• 公開（公告）號(hào): CN104656445B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱戰(zhàn)霞;宋江舟;魏奇章;毛正陽(yáng);袁建平;羅建軍;方群
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 李宏德

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，具體為混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)

混合懸浮環(huán)境的主要應(yīng)用是微重力效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，用于在地面模擬空間微重力環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)建成了大量的此類實(shí)驗(yàn)設(shè)備。物體在環(huán)境中受到浮力、電磁力、重力的共同作用處于懸浮狀態(tài)，因此其所處空間稱為混合懸浮環(huán)境。主要方法是將被試對(duì)象(包括航天器實(shí)物或模型及航天員)全部浸沒在水中，先粗略調(diào)整配重或漂浮器的浮力，再通過電磁力精確配平，克服被試對(duì)象的重力，使其漂浮于水中，近似模擬微重力效應(yīng)。該方法具有六自由度三維模擬空間，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)驗(yàn)。混合懸浮微重力試驗(yàn)是航天技術(shù)地面實(shí)驗(yàn)的一種有效手段，它通過水的浮力和電磁力共同克服物體的重力，實(shí)現(xiàn)微重力效應(yīng)的模擬，但是水動(dòng)阻力的存在使其應(yīng)用受到很大限制。因?yàn)樽枇κ腔旌蠎腋∠到y(tǒng)固有的干擾力，不可能使其消除，只能對(duì)阻力產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，所以這也是混合懸浮微重力實(shí)驗(yàn)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)的研究主要集中在以下幾方面，1)研究六自由度運(yùn)動(dòng)水下物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，分析如何建立精確的數(shù)學(xué)模型。2)研究水下物體運(yùn)動(dòng)的阻力特性，分析影響阻力系數(shù)的主要因素。3)研究推力器的控制方法，分析如何提高推進(jìn)器的控制精度和響應(yīng)速度。4)研究測(cè)量水下物體位置和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的方法，分析如何提高測(cè)量精度。

現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)以上研究方向，能夠通過對(duì)水下實(shí)驗(yàn)體的運(yùn)動(dòng)控制，利用動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理，對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)的水下實(shí)驗(yàn)體建立了精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程。能夠通過進(jìn)行中性浮力實(shí)驗(yàn)，對(duì)補(bǔ)償阻力的推進(jìn)器的控制方法進(jìn)行了研究與仿真，詳細(xì)給出推力器控制回路的建立方法，推力器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。能夠通過水下實(shí)驗(yàn)體在水中運(yùn)動(dòng)的阻力特性，指出阻力變化的規(guī)律，分析實(shí)驗(yàn)體深度和運(yùn)動(dòng)速度對(duì)阻力系數(shù)的影響。能夠通過用于水下實(shí)驗(yàn)體的視覺測(cè)量系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)攝像機(jī)三角測(cè)量原理無法實(shí)現(xiàn)光線折射情況下物體位置準(zhǔn)確測(cè)量的問題，完成水中實(shí)驗(yàn)體的定位解算，求得物體質(zhì)心坐標(biāo)。能夠通過中性浮力環(huán)境中液體阻力的分析與估算，采用數(shù)值計(jì)算與仿真軟件相結(jié)合的方法估算實(shí)驗(yàn)體所受水阻力。研究涉及復(fù)雜外形實(shí)驗(yàn)體的阻力估算，首先利用商業(yè)軟件Fluent仿真得到實(shí)驗(yàn)體的阻力系數(shù)插值表，再由測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)體速度、攻角插值得到阻力系數(shù)，最后利用公式解算阻力系數(shù)。還能夠通過設(shè)計(jì)了PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整，保證了基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方案具有可行性。但以上的研究方向和研究結(jié)論的都是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)化和深入，以及精度的提高，要求高，原理復(fù)雜，操作繁瑣，實(shí)施難度大；并且均沒有涉及到對(duì)阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法的革新和變化，也沒有通過實(shí)時(shí)控制的角度參數(shù)對(duì)阻力效應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行分析，無法滿足混合懸浮系統(tǒng)中要對(duì)阻力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目煽啃院图皶r(shí)性的需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種可靠性高，原理簡(jiǎn)單，從角度參量的影響出發(fā)，以實(shí)時(shí)測(cè)量為手段，對(duì)阻力進(jìn)行精確配平補(bǔ)償?shù)幕旌蠎腋…h(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，包括，

第一步，通過實(shí)測(cè)或仿真模擬得到被測(cè)物體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和以速度、角速度、攻角或側(cè)滑角為變量得到動(dòng)力學(xué)參數(shù)的擬合函數(shù)；并在建立坐標(biāo)系后得到被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方程；

第二步，通過被測(cè)物體在混合懸浮實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，測(cè)量得到被測(cè)物體當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

第三步，通過將第二步中的測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)代入到運(yùn)動(dòng)方程中得到其他的未知運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)和得到的未知運(yùn)動(dòng)參數(shù)代入擬合函數(shù)，分別得到阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)，從而得到阻力和阻力矩；

第四步，根據(jù)被測(cè)物體的推進(jìn)器安裝和布設(shè)方式得到推力分配矩陣，根據(jù)推力分配矩陣向每個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行推力分配，使推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力和推力矩；其中，每個(gè)推力器所分派的推力不大于其所能輸出推力的極限值，總推力和第三步中得到的阻力大小相等方向相反；

第五步，在設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)重復(fù)第二步到第四步，使推進(jìn)器推力和推力矩逐漸接近阻力和阻力矩，完成阻力效應(yīng)的補(bǔ)償。

優(yōu)選的，第二步中，測(cè)量運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括姿態(tài)角、速度、角速度、加速度和角加速度；姿態(tài)角包括俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和偏航角。

優(yōu)選的，第三步中，通過阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)根據(jù)如下表達(dá)式分別得到阻力和阻力矩；

被測(cè)物體在混合懸浮環(huán)境中的阻力表達(dá)式為，

物體在混合懸浮環(huán)境中沿各軸向的阻力矩表達(dá)式分別為，