[发明专利]冗余控制的微小型水下机器人及故障诊断和容错控制方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种微小型水下机器人，本发明也涉及这种微小型水下机器人的故障诊断和容错控制方法。

(二)背景技术

地球上海洋面积占地球表面积的70.8％，海洋是人类食物资源的宝库，并且海洋中有取之不尽，用之不竭的自然能源。毋庸置疑，随着陆地资源的开发殆尽，海洋资源的开发和利用对经济增长的推动作用将越趋明显。

水下机器人作为海洋开发的主要工具，需要长时间工作在复杂多变的水下环境中，这就要求水下机器人具有高度的安全性和可靠性。由于容错控制可以明显提高水下机器人的生存能力，并且在受到损伤或危急的情况下仍能使水下机器人保持较好的执行效果，因此，容错控制技术可以看成是保证水下机器人安全工作的最后一道防线。要很好的实现水下机器人容错控制，就需要执行器间存在功能冗余，以保证当某个执行器失效时，也能通过冗余执行器实现功能补偿，达到减小损失，安全返航的目的。

水下机器人具有6个自由度，即进退、侧移、升沉、横摇、纵摇(俯仰)、摇艏(偏航)运动自由度。一般情况下，水下机器人是通过推进器和舵翼实现6个自由度运动的。速度较慢水下机器人一般装有多个推进器，通过推进器及它们之间的差动实现各个自由度的运动，但多个推进器会增加水对水下机器人的阻力，进而消耗更多的能量。很多速度较高的流线式水下机器人尾部装有一个主推进器的同时，还安装有舵，当舵转动时，可使水下机器人呈俯仰(升沉舵)或摇艏(转向舵)运动状态，进而改变下潜深度或艏向角。这种水下机器人的执行器之间不存在功能冗余，一旦某个执行器出现故障将很难实现高效容错，造成机器人损坏乃至丢失等无法挽回的损失。

专利申请号为CN 2892668Y、名称为《舵翼式微小型水下机器人》的专利，执行器之间不具备冗余功能，容错能力差，安全性低。其躯体为具有扁圆截面的长方形壳体，推进器位于躯体两侧，运行时阻力系数较大。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种智能化程度高，容错能力强，安全性好，运动灵活，结构调整方便的冗余控制的微小型水下机器人。本发明的目的还在于提供这种微小型水下机器人的故障诊断和容错控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的冗余控制的微小型水下机器人的结构组成为：

其壳体由下壳体，上前壳、上后壳拼接而成的流线型外形；壳体内部自前向后设置倾角罗盘舱、深度计、电池舱、多普勒速度计、电子舱、水平螺旋桨推进器和转向升沉舵机；深度计、电池舱、多普勒速度计平行排列共同位于倾角罗盘舱之后、转向升沉舵机位于两个水平螺旋桨推进器中间，两个水平螺旋桨推进器和一个升沉转向舵机横向平行排列、并共同位于水下机器人的尾部；倾角罗盘舱、电池舱和电子舱均为立方体外形的箱体，每个箱体由舱体、上盖、密封圈和螺钉组成，舱体上端面上开有环形密封槽，密封槽内装有O型密封圈，上盖与舱体间通过螺钉连接，并将O型密封圈压紧，实现端面密封，上盖左侧开有螺纹孔，通过螺纹实现与防水电缆螺旋接头连接，舱体外侧留有连接孔，螺栓穿过此连接孔并旋入骨架板上螺纹孔内，实现连接；电池舱内部的锂电池组通过导线同舱侧壁安装的电力传输插座和舱上盖上安装的充电插座相连；电力通过电力传输插座传出给电子舱；电子舱内部封装有核心控制系统，转向升沉舵机驱动控制系统，通信系统。

本发明的冗余控制的微小型水下机器人还可以包括这样一些结构：

1、升沉舵轴在与推进器的电机输出轴相交处为曲轴结构。

2、壳体内设置骨架板，各部件均固定在骨架板上，骨架板为具有足够强度的支撑板，板上设计有槽和孔，各部件通过螺钉连接到骨架板上，骨架板位于水下机器人中心对称面偏下处。

3、各部件间电力及通讯连接通过传输接头实现，传输接头由多芯防水电缆、防水电缆螺旋接头、防水圆形连接器组成，防水电缆螺旋接头固连在部件舱体上，与防水电缆的一端连接，防水圆形连接器插头与防水电缆的另一端连接，防水圆形连接器插头与安装在部件侧壁上的防水圆形连接器插座连接。

4、下壳体内有六个支撑柱，两端带有螺纹孔的导柱与穿过骨架扳的支撑柱通过螺纹连接，导柱另一端与穿过上前壳或上后壳的螺钉连接，下壳体、上前壳、上后壳便与水下机器人内的骨架板装配到一起，形成完整的流线型支柱外形。

本发明的微小型水下机器人的故障诊断和容错控制方法为：