[发明专利]一种水下剖面监测机器人控制器及自动轨迹跟踪控制方法

摘要

本发明涉及一种水下剖面监测机器人控制器，包括置于船载控制箱内的控制器A和置于水下机器人仪器舱内的控制器B两部分，二者通过铠装的脐带电缆进行通信，控制器A实时采集船载控制器控制面板的遥控控制指令，并将控制指令按照自定义的通信协议进行编码和组装成帧，经由通信模块发送到水下控制器B；水下控制器B实时接收船载控制器A发送的协议帧，并进行协议解码，按照协议格式解析出控制指令，进而控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，从而实现对水下机器人运动姿态的控制。本发明采用有限时间轨迹跟踪控制技术实现水下机器人对预定轨迹点的跟踪，能够实现水下剖面监测机器人的大范围、高精度运动和姿态控制。

主权项

一种水下剖面监测机器人控制器，其特征在于：包括置于船载控制箱内的控制器A和置于水下机器人仪器舱内的水下控制器B两部分，二者通过铠装的脐带电缆进行通信，所述控制器A实时采集船载控制器控制面板的遥控控制指令，并将控制指令按照自定义的通信协议进行编码和组装成帧，经由通信模块发送到水下控制器B；所述水下控制器B实时接收船载控制器A发送的协议帧，并进行协议解码，按照协议格式解析出控制指令，进而控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，继而驱动推进电机进行工作，从而实现对水下机器人运动姿态的控制；所述控制器A和水下控制器B还包括有串口通信模块、串口/光纤转换器和电压转换和稳压模块A、电压转换和稳压模块B；用于水下机器人控制器和船载控制器间的相互通信，其还包括铠装的脐带通信电缆，通过电压转换和稳压模块B将供电电压转换为机器人所需的工作电压，并提供其与控制器A间的远程数据通信，保证信号传输的无失真；所述的电压转换和稳压模块A包含电压转换和稳压电路，用于将岸上电源进行AC‑DC电压转换和低压差线性稳压的两级电压转换，从而为电路提供稳定的工作电压；电压转换和稳压模块B，对电压进行转换和稳压，为控制器B和机器人驱动电机提供必需的工作电压；所述水下机器人控制器之间的通信协议，采用自定义的通信协议帧，水下控制器B按照协议格式解析出控制器A发送的控制指令；所述协议帧头和帧尾均由1个字节组成，控制命令字由1个字节组成，其相应低4位数据位从右至左分别代表左侧水平推进器、右侧水平推进器、左侧垂直推进器和右侧垂直推进器，高4为自动/手动切换；最高位用于区分手动操控还是自动轨迹跟踪控制，如果为0，则为手动操控，如果为1，则为自动轨迹跟踪控制；循环冗余检测CRC也由1个字节组成，控制器B通过CRC检测算法计算出检测未位的值，并与接收到的CRC值进行对比，完成对数据帧的差错检测，出现错误则丢弃该数据包，不进行机器人操控；由水下控制器B、深度传感器和驱动电机组成水下剖面监测机器人的水下闭环随动控制系统；该水下闭环随动控制系统实现水下机器人对预定轨迹点的跟踪控制，采用有限时间跟踪控制技术，使水下机器人在有限时间内实现对预定轨迹点的跟踪；考虑到外界的海流扰动、环境噪声的影响以及轨迹控制的快速性，水下机器人的有限时间轨迹控制器就是设计v，ω的估计值的控制律使水下机器人在有限的时间内跟踪上预定的参考轨迹点，其中设计的有限时间控制律为：ω^=ωd+k1θ^e+k2sgn(θ^e)|θ^e|γ1,|θ^e|>k2/k1ωd+k1vdy^e+k2vdsgnθ^e|θ^e|γ2,|θ^e|≤k2/k1]]>v^=vdcosθ^e+ωdy^e+k3y^e+k4sgn(y^e)|y^e|β1+k5x^e+k6sgn(x^e)|x^e|β2,|θ^e|>k2/k1vdcosθ^e+k1x^e+k0sgn(x^e)|x^e|β0,|θ^e|≤k2/k1]]>从而实现水下机器人对一系列预定轨迹点的跟踪控制；上式中，v，ω分别为水下机器人的线速度和角速度，分别为v，ω经过卡尔曼滤波后的估计值，νd，ωd分别为水下机器人线速度和角速度的参考控制输入，k0，k1，k2，k3，k4，k5，k6＞0，0＜γ0，γ1＜1，0＜β0，β1＜1，β2＝2β1/(1+β1)都为有限时间控制律的调节系数，分别为xe，ye，θe经过卡尔曼滤波后的估计值，其中xe，ye，θe可以表示为这里xd，yd表示水下机器人位置坐标的期望值，θd表示水下机器人运动方向的期望值，x，y表示水下机器人位置坐标的当前值，θ表示水下机器人运动方向的当前值。