[發明專利]一種水域機器人輔助轉彎裝置和使用方法

有效

• 申請號: 201810246218.3
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108382532B
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 青島中邦防務智能裝備有限公司
• 主分類號: B63B35/00
• 分類號: B63B35/00;B63H25/52;B25J11/00
• 代理公司: 44372 深圳市六加知識產權代理有限公司
• 代理人: 向彬

1.一種適用于水域機器人輔助轉彎裝置的使用方法，其特征在于，裝置的船體（1）內設置有控制系統（3）、通信模塊（2）、監測模塊（4）、動力轉向模塊（5）和水阻轉向模塊（6），所述的控制系統（3）、通信模塊（2）和監測模塊（4）間兩兩相連；控制系統（3）分別連接動力轉向模塊（5）和水阻轉向模塊（6）；所述的動力轉向模塊（5），包括智能舵（9）和側位噴泵（10），智能舵（9）與側位噴泵（10）連接，智能舵（9）控制側位噴泵（10）的工作功率與工作方向；所述的水阻轉向模塊（6）包括轉向槳（15）、移位模組和旋轉模組，其中，所述轉向槳（15）分別連接所述移位模組和所述旋轉模組，所述移位模組用于控制轉向槳（15）伸出船體（1）的長度；所述旋轉模組用于控制轉向槳（15）的旋轉角度，具體的：

控制系統（3）根據轉彎指令或水域機器人當前運行狀態，查詢轉彎特性庫，形成控制指令，發出控制指令；

動力轉向模塊（5）和水阻轉向模塊（6）得到控制指令，則側位噴泵（10）開啟至目標方向和目標功率，轉向槳（15）移動到目標位置，旋轉至目標角度；

在實際轉彎操作之前，制定水域機器人轉彎特性庫；制作方法包括：根據船體（1）重量、重心、轉向率的物理特性，設計船體（1）時進行仿真模擬實驗，得到水域機器人在不同速度范圍內所需要的對應外力大小，從而確定各種轉彎需求下對應參數，該參數包括水阻轉向模塊（6）中轉向槳（15）的初始長度和初始方向，動力轉向模塊（5）中側位噴泵（10）的初始功率和初始方向；

通過改變轉彎強度，監測船體（1）姿態數據，控制轉向槳（15）在船體（1）橫切面方向的角度；同時啟動左右兩個側位噴泵（10），并通過控制其工作功率和工作方向，使船體（1）轉彎時保持平穩，記錄此時船體（1）姿態的各個參數；

其中，上述參數可以由一數組表征，其中，該數組項包括[D，V，H，Z，A，L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]，分別表示：D-轉彎強度，V-運行速度，H-船體橫搖，Z-船體縱搖，A-傾斜加速度，L1-左側轉向槳工作長度，X1-左側轉向槳旋轉角度，L2-右側轉向槳工作長度，X2-右側轉向槳旋轉角度，N1-左側位噴泵工作功率，B1-左側位噴泵工作方向，N2-右側位噴泵工作功率，B2-右側位噴泵工作方向；

所得的每一個參數對應一個范圍區間，將范圍區間平均劃成8段數據；

所述參數D為轉彎強度，根據設計實驗得到的最大轉彎強度把船體實際轉彎強度劃分為8段，每段對應取平均值，其中，左打舵0%-25%對應D1，左打舵25%-50%對應D2，左打舵50%-75%對應D3，左打舵75%-100%對應D4，右打舵0%-25%對應D5，右打舵25%-50%對應D6，右打舵50%-75%對應D7，右打舵75%-100%對應D8；

其中V為運行速度，包括前進速度和后退速度，根據設計的最大速度把船體實際運行速度劃分為8段，每段對應取平均值，分別對應：V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8共8個值；

其中H為船體橫搖，包括左側橫搖和右側橫搖，根據設計的橫搖最大允許值把船體實際橫搖度劃分為8段，每段對應取平均值，分別對應：H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8共8個值；

其中Z為船體縱搖，包括向前縱搖和向后縱搖，根據設計的縱搖最大允許值把船體實際縱搖度劃分為8段，每段對應取平均值，分別對應：Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8共8個值；

其中A為傾斜加速度，根據設計的傾斜加速度最大允許值把船體實際傾斜加速度劃分為8段，每段對應取平均值，分別對應：A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8共8個值；

將以上參數值[D，V，H，Z，A]與實驗中監測出的船體（1）姿態參數[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]相對應，形成轉彎特性庫；

在實際工作過程中，控制系統（3）通過接收外部指揮系統（7）的轉彎初始指令，或控制系統（3）通過船體（1）姿態信息自行生成轉彎初始指令，即[D，V，H，Z，A]；控制系統（3）根據初始指令查詢轉彎特性庫，得到對應指令信息[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]，即為控制系統（3）的轉彎初始指令；

在實現水域機器人左轉彎時，外部指揮系統（7）發出左轉彎指令，此時將進行下列步驟：控制系統（3）根據轉彎指令和水域機器人此時姿態信息，查詢轉彎特性表，得到初始動作目標值，即指令信息[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]，形成控制系統（3）的初始指令；

動力轉向模塊（5）得到控制系統（3）的初始指令，即動力轉向模塊（5）中的智能舵（9）得到噴泵的初始控制值，智能舵（9）根據[N1，B1]指令控制左側位噴泵（10）工作，根據[N2，B2]指令控制右側位噴泵（10）工作；

控制系統（3）向動力轉向模塊（5）發出指令的同時，也向水阻轉向模塊（6）發出指令，即水阻轉向模塊（6）中的驅動器（11）得到轉向槳（15）的初始控制值；驅動器（11）根據[L1，X1]指令，驅動左側移位步進電機（12）工作，經由左側移位推桿（14）把左側轉向槳（15）推向水中目標工作位置，同時驅動左側旋轉步進電機（13）工作，經由左側旋轉推桿（16）將左側轉向槳（15）旋轉到目標工作角度；同時驅動器（11）根據[L2，X2]指令，驅動右側移位步進電機（12）工作，經由右側移位推桿（14）把右側轉向槳（15）推向水中目標工作位置，同樣地，驅動器（11）驅動右側旋轉步進電機（13）工作，經由右側旋轉推桿（16）將右側轉向槳（15）旋轉到目標工作角度；則初始指令信息[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]完成；

進一步的，在當前水域環境中水流速度較快，風浪影響較大的情況下，水阻轉向模塊（6）中的轉向槳（15）會在執行指令的過程中，因為受到外部的影響而完成初始指令[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]后，偏離目標位置和目標角度；

此時，可在水阻轉向模塊（6）上設置反饋優化步驟，控制系統（3）向水阻轉向模塊（6）發出優化控制指令；所述的優化控制指令是在信息為[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]的初始指令下發后，微型陀螺儀實時監測機器人姿態信息，并反饋給控制系統（3）；控制系統（3）根據水域機器人側向傾斜角度、傾斜速度和傾斜加速度以及水域機器人運行速度，給出對轉彎裝置的優化控制指令；該優化控制指令由控制系統（3）中采用的模糊PID算法實時計算而來；

控制系統（3）向水阻轉向模塊（6）發出優化控制指令，即左側移位步進電機（12）對應的編碼器檢測移位推桿（14）是否達到目標位置L1，并反饋給驅動器（11），驅動器（11）反饋給控制系統（3），控制系統（3）與控制指令對比，再次下達指令進行調節，直到左側轉向槳（15）入水長度達到L1為止；右側移位步進電機（12）對應的編碼器反饋右側移位推桿（14）是否達到目標位置L2，并進行反饋，直到右側轉向槳（15）入水長度達到L2為止；從而實現移位反饋控制；

對應指令[L1，X1，L2，X2，N1，B1，N2，B2]中每個參數的數值，在一定范圍內設置有閾值，當左側移位推桿（14）控制誤差小于設置的閾值時，左側旋轉步進電機（13）對應的編碼器反饋左側旋轉推桿（16）是否到達目標角度X1，并反饋給驅動器（11），直到左側旋轉推桿（16）到達目標角度X1為止；同樣地，當右側移位推桿（14）控制誤差小于設置的閾值時，右側旋轉步進電機（13）對應的編碼器反饋右側旋轉推桿（16）是否到達目標角度X2，并反饋給驅動器（11），直到右側旋轉推桿（16）到達目標角度X2為止；從而實現旋轉反饋控制。