[发明专利]一种推进器联动控制的四旋翼水下机器人及其控制方法

说明书

本发明公开一种推进器联动控制的四旋翼水下机器人，包括电子舱、若干推进器、推进器控制装置，推进器控制装置控制电子舱在水中的运动，推进器控制装置包括垂直控制装置和水平控制装置，垂直控制装置包括一个垂直联动控制电机，一个垂直联动控制电机控制若干推进器绕Y轴转动，水平控制装置包括一个水平联动控制电机，一个水平联动控制电机控制若干推进器绕Z轴转动，推进器初始推力方向均沿X轴。采用推进器控制装置改变推进器推力方向，从而实现水下机器人纵荡、横荡、升沉、横倾、纵倾和偏航六自由度运动，设备灵活性和推进器利用率提高，分别通过一个电机驱动四个推进器绕Y轴和Z轴同步转动，设备整体性、控制精度提高，且能耗降低。

技术领域

本发明涉及水下机器人，尤其是推进器联动控制的四旋翼水下机器人及其控制方法。

背景技术

随着人类不断探索海洋，发现合理地开发海洋资源，可以解决当前人类社会所面临的资源短缺等问题。水下机器人是进行水下探测与水下作业的重要平台，其可以下潜至人类无法到达的深水领域，快速适应水下环境并完成作业。但由于水下环境恶劣，对水下机器人的稳定性、灵活性以及控制精度和推进器的使用效率提出了很高的要求。

现有技术中，如专利号为CN107226185A的《一种微小型全自由度缆控水下机器人》，其公开了一种水下机器人的四个垂直推进器采用梯形台布置，四个水平推进器采用菱形布置，具有较好的转动控制特性；但是当该水下机器人做直线运动时，各个推进器之间存在部分推力分量相互抵消，致使能耗增加的问题。如期刊《Applied Ocean Research》中刊登的《QUUV:A quadrotor-like unmanned underwater vehicle with thrustsconfigured as X shape》文章，其公开了一种水下机器人两侧推进器投影在垂直平面形成两个“X”形状，称X形推进器，能够驱动机器人完成纵荡、升沉、横倾和纵倾等四个自由度的运动，从而提高水下机器人机动性；但其在运动过程中，同样存在推进器部分推力分量相互抵消，增加能量消耗的问题，且该水下机器人难以完成横荡和偏航运动。如专利号为CN110844029A的《一种水下四旋翼航行器》，其公开了一种水下机器人转动机构与耐压舱体转动连接，其将推进器安装在转动机构上，并与耐压舱内部的动力系统和控制模块连接，用以推动耐压舱体在水中运动或者保持位置。该装置相较于传统四旋翼航行器，其推力方向灵活性可变，系统抗外界干扰能力有所增强，能够实现纵荡、升沉、横倾、纵倾、偏航等五个自由度运动，但是四个推进器难以实现水平菱形布置，转动特性较差，同时，因推进器固定安装于转动机构上，难以实现推进器单独方向调节，且转动机构与耐压舱间无自锁机构，使其整体稳定性大大降低。如期刊《中南大学学报：英文版》中刊登的《Innovative designand motion mechanism analysis for a multi-moving state autonomous underwatervehicles》文章，其公开了一种全方位主动矢量推进器，改变四个矢量推进器的推力方向，可以完成水下机器人六自由度运动。但其四个矢量推进器的推力方向为单独控制，且每个推力方向的控制，分别需要两个直线运动机构进行驱动，对推进器控制系统要求较高，且难以实现四个矢量推进器推力方向控制的同步性和一致性。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种推进器推力方向控制的同步性和一致性较好的推进器联动控制的四旋翼水下机器人。

本发明还提供一种上述四旋翼水下机器人的控制方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种推进器联动控制的四旋翼水下机器人，包括电子舱、若干推进器、推进器控制装置，所述推进器控制装置与若干推进器连接，用于控制电子舱在水中的运动方向或者姿态变化，所述推进器控制装置包括垂直控制装置和水平控制装置，所述垂直控制装置包括一个垂直联动控制电机，所述一个垂直联动控制电机用于控制若干推进器绕Y轴转动，所述水平控制装置包括一个水平联动控制电机，所述一个水平联动控制电机用于控制若干推进器绕Z轴转动，所述若干推进器初始推力方向均沿X轴，X轴、Y轴、Z轴为空间直角坐标系中的坐标轴，其中Z轴的正方向沿重力方向向下。