CN110758694A - 一种面向考古作业的水下机器人及其矢量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向考古作业的水下机器人及其矢量控制方法，属于水下航行器，在耐压控制舱内设置无线传输模块、控制模块和探测任务模块，然后在耐压控制舱两侧分别设置一个矢量推进器，利用控制模块实现矢量推进器的控制，从而实现水下机器人的航行控制，然后利用搭载于耐压控制舱内的探测任务模块采集水下图像信息并将采集的图像信息通过控制模块传输至上位机，从而实现水下探测作业，采用由推进器连接座和随动圆罩构成的矢量推进器，实现随动圆罩相对推进器连接座转动，滚转舵机的输出轴带动随动圆罩转动，从而实现随动圆罩上的推进器推进方向的改变，从而实现不同方向的推进，提高水下机器人的随动性，结构简单，便于水下机器人航线调整。
Description
技术领域
本发明属于水下航行器，具体涉及一种面向考古作业的水下机器人及其矢量控制方法。
背景技术
历史上由于地震、火山喷发、海啸等自然灾变，一些位于水边的居址、港口、墓葬等沉没于水中，另外，在一些古代航线下，还保存有大量古代沉船和文物。而目前针对水下遗迹考察，目前多采用人工潜水考察，针对我国水下考古起步晚、技术落后、成本高及机械化程度低的现状，水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，费用昂贵如潜水员在水下呼吸1分钟所需的费用相当于1克黄金的价值，而且会损害潜水员的身体健康。而目前现有的水下航行器结构复杂，侧摆偏航需要尾翼控制，转动半径大，上浮下潜需要调整航行器内部压强，反应速度慢，航行应变能力差，因此研发一种面向考古作业的水下机器人，用于江河湖海之下的古代遗迹、遗物的调查、勘测和发掘已势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向考古作业的水下机器人及其矢量控制方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向考古作业的水下机器人，包括上位机、耐压控制舱和矢量推进器；
耐压控制舱内设有无线传输模块、控制模块、探测任务模块以及用于提供电源的电源模块，无线传输模块、探测任务模块和电源模块均连接于控制模块，无线传输模块用于控制模块的信号传输；探测任务模块设置于耐压控制舱运行前端或后端，用于采集水下图像信息并将采集的图像信息通过控制模块传输至上位机；
耐压控制舱左右两侧分别设有一个矢量推进器，矢量推进器包括推进器连接座和随动圆罩，推进器连接座与耐压控制舱侧壁密封连接，推进器连接座和随动圆罩通过柔性连接罩密封连接，柔性连接罩内设有与推进器连接座固定连接的侧摆舵机，侧摆舵机通过连接支架连接有滚转舵机，滚转舵机的输出轴与随动圆罩固定连接，随动圆罩的外侧通过推进器安装座固定有推进器，控制模块控制侧摆舵机、滚转舵机和推进器的转动。
进一步的，耐压控制舱外部固定有支撑框架。
进一步的，支撑框架包括底板以及设置于底板两侧的侧板，侧板与耐压控制舱以及耐压控制舱两侧的矢量推进器固定连接，底板位于耐压控制舱下端，底板上固定有配重铅块。
进一步的，耐压控制舱包括透明耐压半球罩和控制舱体，透明耐压半球罩和控制舱体前端密封连接，探测任务模块固定于透明耐压半球罩内。
进一步的，侧摆舵机的侧摆角δr：|δr|≤30°。
进一步的，滚转舵机的滚转角δe：|δe|≤90°。
进一步的，探测任务模块包括视频采集模块、声纳成像模块和探测灯，视频采集模块和声纳成像模块均固定于耐压控制舱运行前端或后端，用于获取水下地形图像信息，探测灯用于提供光源；声纳成像模块包括声纳处理器电路模块和声纳换能器阵列，用于获取水下图像信息。
进一步的，控制模块包括Pixhawk飞控控制器和树莓派控制器，Pixhawk飞控内设有姿态传感器，姿态传感器包括陀螺仪、磁强计和加速度计，用于获取矢量推进水下机器人水下运行状态信息，用于考古水下机器人的姿态解算和运动控制，树莓派控制器用于获取探测任务模块采集的图像信息。
进一步的，侧摆舵机和滚转舵机采用50kg扭矩舵机。
进一步的，推进器采用30N推力无刷水下推进器，推进器工作电压为12—25.2V，满载电流6A，最大工作深度100m。
一种面向考古作业的水下机器人的矢量控制方法，包括以下步骤：
步骤1)，获取机器人目前状态参数值y(k)，给定矢量控制输入值r(k)；
步骤2)、根据机器人目前状态参数值和机器人目前状态参数值获取控制增量Δu(k)：
K为神经元的比例系数，xi为神经元的输入量，wi为与输入量对应的输入权重值；权重系数wi(k)的具体表达式为：
其中
输入权重值根据基于监督的学习算法进行自适应调整；ek为教师信号；
步骤3)、将获取的控制增量Δu(k)作为响应变量，以响应变量作为神经元的输入量，根据上一控制实际输出量u(k-1)得到当前实际输出量u(k)：
ξ为收敛速度调整系数，K(k)为神经元当前比例系数。
进一步的，神经元的比例系数K根据评价函数来进行更新，评价函数J(k)为：
目前状态参数值包括机器人目前深度值和偏转状态值；输入权重值wi(i＝1,2,3)分别对应比例系数、积分系数、微分系数；当前偏转状态值可以通过姿态传感器获得，目前深度值可以通过深度传感器获得
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种面向考古作业的水下机器人，通过在耐压控制舱内设置无线传输模块、控制模块、探测任务模块以及用于提供电源的电源模块，然后在耐压控制舱两侧分别设置一个矢量推进器，利用控制模块实现矢量推进器的控制，从而实现水下机器人的航行控制，然后利用搭载于耐压控制舱内的探测任务模块采集水下图像信息并将采集的图像信息通过控制模块传输至上位机，实现水下图像信息获取；采用由推进器连接座和随动圆罩构成的矢量推进器，推进器连接座和随动圆罩通过柔性连接罩密封连接，柔性连接罩内设有与推进器连接座固定连接的侧摆舵机，侧摆舵机通过连接支架连接有滚转舵机，通过侧摆舵机驱动连接支架带动滚转舵机转动，实现矢量推进器侧摆转动，不需要在耐压控制舱后端设置侧摆尾翼，利用矢量推进器的侧摆角实现耐压控制舱的侧摆转动，结构简单，能够实现原地转动；在浮潜运动过程中，滚转舵机的输出轴带动随动圆罩和推进器连接座转动，从而实现矢量推进器在竖直方向上的转动，利用矢量推进器实现耐压控制舱的快速上升和下潜，减少潜伏升降压力，从而可简化潜水浮生装置，减小了耐压控制舱内部空间体积，能够有效减小整体结构体积，本装置能够实现不同方向的推进、上浮和下潜，提高水下机器人的随动性，结构简单，便于水下机器人航线调整，适用于复杂多变的水下环境。
进一步的，耐压控制舱外部固定有支撑框架，通过支撑框架防止耐压控制舱受到撞击。
进一步的，支撑框架包括底板以及设置于底板两侧的侧板，侧板与耐压控制舱以及耐压控制舱两侧的矢量推进器固定连接，底板位于耐压控制舱下端，底板上固定有配重铅块，便于水下机器人保持水下稳定性。
进一步的，侧摆舵机的侧摆角δr：|δr|≤30°，滚转舵机的滚转角δe：|δe|≤90°，可任意调整水下机器人航向转向。
一种面向考古作业的水下机器人的矢量控制方法，通过获取机器人目前状态参数值和给定矢量控制输入值获取控制增量，控制增量通过神经元的比例系数比例变换，以此来提高***的收敛速度，减小***控制输出误差，输入权重值根据基于监督的学习算法进行自适应调整，根据***实际响应情况，自动调整PID的控制参数，从而改善***的动态品质，提高水下考古作业的适应性及效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明矢量推进器立体图；
图3为本发明水下机器人偏航时侧摆角结构示意图；
图4为本发明水下机器人浮潜时滚转角结构示意图；
图5为基于单神经元的神经网络PID控制框图。
图6为现有PID运动控制器仿真模型和本申请神经网络PID运动控制器仿真模型图。
图7为现有控制方法和本申请控制方法偏航运动阶跃响应结果对比图。
图8为现有控制方法和本申请控制方法运动抗干扰结果对比图。
图9为现有控制方法和本申请控制方法浮潜运动阶跃响应结果对比图。
图10为现有控制方法和本申请控制方法定深运动抗干扰结果对比图。
其中：4.耐压控制舱；5.矢量推进器；6.支撑框架；7.探测任务模块；8.推进器连接座；9.侧摆舵机；10.连接支架；11.滚转舵机；12.随动圆罩；13.推进器安装座；14.推进器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种面向考古作业的水下机器人，用于水下考古作业，携带侧扫声纳模块用于水下的古代遗迹、遗物的调查和勘测。
参阅图1-图2，本发明水下机器人包括上位机、耐压控制舱4和矢量推进器5，上位机1用于水下机器人运动指令的下达、运动状态数据记录以及探测任务模块获取的图像信息采集、存储和显示。
耐压控制舱4内设有无线传输模块、控制模块、探测任务模块7和电源模块，无线传输模块、探测任务模块7和电源模块均连接于控制模块，无线传输模块用于控制模块信号传输，电源模块提供电源，探测任务模块7用于采集水下图像信息并将采集的图像信息通过控制模块传输至外部上位机；
耐压控制舱4左右两侧分别设有一个矢量推进器5，如图2所示，矢量推进器5包括推进器连接座8和随动圆罩12，推进器连接座8与耐压控制舱4侧壁密封连接，推进器连接座8和随动圆罩12通过柔性连接罩15密封连接，柔性连接罩15内设有与推进器连接座8固定连接的侧摆舵机9，侧摆舵机9通过连接支架10连接有滚转舵机11，滚转舵机11的输出轴与随动圆罩12固定连接，随动圆罩12的外侧通过推进器安装座13固定有推进器14。
侧摆舵机9转动轴、滚转舵机11转动轴和推进器14转动轴三者轴线相互垂直，通过侧摆舵机9驱动连接支架10带动滚转舵机11转动，与滚转舵机11输出轴固定连接的随动圆罩12相对推进器连接座8转动，随动圆罩12与推进器连接座8之间通过柔性连接罩15密封连接，可实现随动圆罩12相对推进器连接座8转动，滚转舵机11的输出轴带动随动圆罩12转动，从而实现随动圆罩12上的推进器14推进方向的改变，从而实现不同方向的推进。如图3所示，在偏航运动过程中，通过侧摆舵机9驱动连接支架10带动滚转舵机11转动，实现矢量推进器侧摆转动，其侧摆角δr转动范围为：|δr|≤30°，不需要在耐压控制舱4后端设置侧摆尾翼，利用矢量推进器的侧摆角实现耐压控制舱4的侧摆转动；如图4所示，在浮潜运动过程中，滚转舵机11的输出轴带动随动圆罩12和推进器连接座8转动，从而实现矢量推进器在竖直方向上的转动，利用矢量推进器实现耐压控制舱4的快速上升和下潜，减少潜伏升降压力，从而可简化潜水浮生装置，减小了耐压控制舱4内部空间体积，从而能够有效减小整体结构体积，其滚转角δe的范围为：|δe|≤90°。如图3所示，最优选的，矢量推进器5设置于耐压控制舱4长度方向的中间位置，当需要侧摆时，通过侧摆舵机9驱动连接支架10带动滚转舵机11转动，耐压控制舱4的中间位置为转动中心，即两个推进器连接座8中心连接线与耐压控制舱4延长度方向的中心线之间的交点为转动中心，减小了耐压控制舱4转动半径。
耐压控制舱4外部固定有支撑框架6，用于耐压控制舱4支撑和外部保护，防止外物撞击耐压控制舱4。支撑框架6包括侧板和底板，耐压控制舱和矢量推进器固定连接在侧板之上，底板留有用于固定配重铅块的安装槽，底板的安装槽固定有配重铅块，用于考古水下机器人的重心调整。
耐压控制舱4包括透明耐压半球罩和控制舱体，透明耐压半球罩和控制舱体之间密封连接，在水下工作要考虑密封性，透明耐压半球罩和控制舱体采用端面密封加轴向密封的方式。
外部上位机用于水下机器人指令的输出和数据的输入；探测任务模块7包括视频采集模块、声纳成像模块和探测灯，视频采集模块和声纳成像模块均固定于耐压控制舱4运行前端，用于获取水下地形图像信息；声纳成像模块包括声纳处理器电路模块和声纳换能器阵列，利用声纳成像模块可以快速获取水下图像信息。控制模块通过无线传输模块接收外部上位机的控制指令，并通过控制指令控制不同舵机运行。
控制模块包括Pixhawk飞控控制器和树莓派控制器，Pixhawk飞控内设有姿态传感器，姿态传感器包括陀螺仪、磁强计和加速度计，用于获取矢量推进水下机器人水下运行状态信息，用于考古水下机器人的姿态解算和运动控制，树莓派控制器用于获取探测任务模块7采集的图像信息，采用两个控制器分别进行姿态调整和图像采集，提高控制器运算效率，防止控制信号之间的干扰。
侧摆舵机9和滚转舵机11采用50kg扭矩舵机，推进器14采用30N推力无刷水下推进器，推进器工作电压为12—25.2V，满载电流6A，最大工作深度100m。
供电模块采用锂电池供电，容量为48000mAH，电压为25.2V，放电能力为40A，设有短路保护，电池外形长方体外观，包装用绝缘板外套PVC蓝膜。
Pixhawk飞控控制器将收到的指令转换为矢量偏转机构的舵机操纵角和推进器的无刷直流电机的转速，从而控制水下机器人当前的运动状态，实现包括前进后退、左右偏航、定点自旋和上浮下潜的基本运动模式以及定航保持和定深悬停的功能切换，定航保持和定深悬停功能通过神经网络PID控制进行闭环运动控制补偿。
如图5所示，控制模块采用基于单神经元的神经网络PID控制，一种面向考古作业的水下机器人的矢量控制方法，包括以下步骤：
步骤1)，获取机器人目前状态参数值y(k)，给定矢量控制输入值r(k)；
步骤2)、根据机器人目前状态参数值和机器人目前状态参数值获取控制增量Δu(k)：
K为神经元的比例系数，xi为神经元的输入量，wi为与输入量对应的输入权重值；
目前状态参数值包括机器人目前深度值和偏转状态值；输入权重值wi(i＝1,2,3)分别对应比例系数、积分系数、微分系数；当前偏转状态值可以通过姿态传感器获得，目前深度值可以通过深度传感器获得；其中
输入权重值根据基于监督的学习算法进行自适应调整；r(k)为期望输入值(设定输入值)，y(k)为目前状态参数值；ek为教师信号，即期望值和当前值的偏差；
步骤3)、将获取的控制增量Δu(k)作为响应变量，以响应变量作为神经元的输入量，根据上一控制实际输出量u(k-1)得到当前实际输出量u(k)：
ξ为收敛速度调整系数，K(k)为神经元当前比例系数；
权重系数wi(k)的具体表达式为：
神经元的比例系数K根据评价函数来进行更新，评价函数J(k)为：
其中u(k)为神经网络PID控制的当前实际输出量，包括矢量偏转机构的侧摆角δr和滚转角δe以及两个推进器的转速n1，n2。进一步通过控制矢量推进器的姿态和转速达到控制水下机器人运动的目的。
请参阅图6，为现有PID运动控制器仿真模型和本申请神经网络PID运动控制器仿真模型图，将与普通的PID控制器做比较验证。基于Simulink建立面向考古作业的矢量推进水下机器人PID控制和神经网络PID控制的水平面和垂直面运动控制***仿真模型。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图7，为本发明考古水下机器人采用现有控制方法和本申请控制方法偏航运动阶跃响应结果对比图。通过仿真得到常规PID控制方式下和神经网络PID控制方式下初始偏航角到目标偏航角(0-60°)偏航运动阶跃响应曲线，仿真时间设为65s。由仿真结果可得：在侧向运动控制中，PID运动控制器的最大超调量Mp＝11.68％，调整时间ts＝9.05s；神经网络PID运动控制器的最大超调量Mp＝7.60％，调整时间ts＝6.57s。对比PID控制算法，神经网络PID超调量减小约4.08％，调整时间减少约2.48s。
请参阅图8，为本发明考古水下机器人采用现有控制方法和本申请控制方法定航运动抗干扰结果对比图。考古水下机器人在定航运动时，水流干扰是引起水下机器人偏航的主要原因。在仿真中添加干扰模块，定航干扰通过加入大小为20N·m，持续时间为4s的干扰力，模拟水下机器人定航运动过程中水流扰动的影响。由仿真结果可得：在定航抗干扰仿真中，PID控制波动范围为-7.53°～46.32°，调整时间ts＝15.10s；神经网络PID控制波动范围为-2.59°～43.82°，调整时间ts＝10.92s。神经网络PID控制波动范围相比较PID控制减小7.44°，调整时间减少约4.18s。
请参阅图9，为本发明考古水下机器人采用现有控制方法和本申请控制方法浮潜运动阶跃响应结果对比图。通过仿真得到常规PID控制方式下和神经网络PID控制方式下初始深度到目标深度(0-1m)浮潜运动阶跃响应曲线，仿真时间设为65s。由仿真结果可得：在浮潜运动控制中，PID运动控制器的最大超调量Mp＝12.08％，调整时间ts＝10.30s；神经网络PID运动控制器的最大超调量Mp＝8.07％，调整时间ts＝6.46s。对比PID控制算法，神经网络PID超调量减小约4.01％，调整时间减少约3.84s。
请参阅图10，为本发明考古水下机器人采用现有控制方法和本申请控制方法定深运动抗干扰结果对比图。考古水下机器人在定深运动时，水流干扰是引起水下机器人深度变换的主要原因。在仿真中添加干扰模块，定深干扰通过加入大小为30N，持续时间为2s的干扰力，模拟水下机器人定深运动过程中水流扰动的影响。由仿真结果可得：在定深抗干扰仿真中，PID控制波动范围为-0.8377m～-0.4228m，调整时间ts＝8.72s；神经网络PID控制波动范围为-0.8020m～-0.4758m，调整时间ts＝5.52s。神经网络PID控制波动范围相比较PID控制减小0.0173m，调整时间减少约3.20s。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，包括上位机、耐压控制舱(4)和矢量推进器(5)；
耐压控制舱(4)内设有无线传输模块、控制模块、探测任务模块(7)以及用于提供电源的电源模块，无线传输模块、探测任务模块(7)和电源模块均连接于控制模块，无线传输模块用于控制模块的信号传输；探测任务模块(7)设置于耐压控制舱(4)运行前端或后端，用于采集水下图像信息并将采集的图像信息通过控制模块传输至上位机；
耐压控制舱(4)左右两侧分别设有一个矢量推进器(5)，矢量推进器(5)包括推进器连接座(8)和随动圆罩(12)，推进器连接座(8)与耐压控制舱(4)侧壁密封连接，推进器连接座(8)和随动圆罩(12)通过柔性连接罩(15)密封连接，柔性连接罩(15)内设有与推进器连接座(8)固定连接的侧摆舵机(9)，侧摆舵机(9)通过连接支架(10)连接有滚转舵机(11)，滚转舵机(11)的输出轴与随动圆罩(12)固定连接，随动圆罩(12)的外侧通过推进器安装座(13)固定有推进器(14)，控制模块控制侧摆舵机(9)、滚转舵机(11)和推进器(14)的转动。
2.根据权利要求1所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，耐压控制舱(4)外部固定有支撑框架(6)。
3.根据权利要求2所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，支撑框架(6)包括底板以及设置于底板两侧的侧板，侧板与耐压控制舱(4)以及耐压控制舱(4)两侧的矢量推进器(5)固定连接，底板位于耐压控制舱(4)下端，底板上固定有配重铅块。
4.根据权利要求1所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，耐压控制舱(4)包括透明耐压半球罩和控制舱体，透明耐压半球罩和控制舱体前端密封连接，探测任务模块(7)固定于透明耐压半球罩内。
5.根据权利要求1所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，侧摆舵机(9)的侧摆角δr：|δr|≤30°；滚转舵机(11)的滚转角δe：|δe|≤90°。
6.根据权利要求1所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，探测任务模块(7)包括视频采集模块、声纳成像模块和探测灯，视频采集模块和声纳成像模块均固定于耐压控制舱(4)运行前端或后端，用于获取水下地形图像信息，探测灯用于提供光源；声纳成像模块包括声纳处理器电路模块和声纳换能器阵列，用于获取水下图像信息。
7.根据权利要求1所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，控制模块包括Pixhawk飞控控制器和树莓派控制器，Pixhawk飞控内设有姿态传感器，姿态传感器包括陀螺仪、磁强计和加速度计，用于获取矢量推进水下机器人水下运行状态信息，用于考古水下机器人的姿态解算和运动控制，树莓派控制器用于获取探测任务模块采集的图像信息。
8.根据权利要求1所述的一种面向考古作业的水下机器人，其特征在于，侧摆舵机(9)和滚转舵机(11)采用50kg扭矩舵机；推进器(14)采用30N推力无刷水下推进器，推进器工作电压为12—25.2V，满载电流6A，最大工作深度100m。
9.一种面向考古作业的水下机器人的矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，获取机器人目前状态参数值y(k)，给定矢量控制输入值r(k)；
步骤2)、根据机器人目前状态参数值和机器人目前状态参数值获取控制增量Δu(k)：
K为神经元的比例系数，xi为神经元的输入量，wi为与输入量对应的输入权重值；权重系数wi(k)的具体表达式为：
其中
输入权重值根据基于监督的学习算法进行自适应调整；ek为教师信号；
步骤3)、将获取的控制增量Δu(k)作为响应变量，以响应变量作为神经元的输入量，根据上一控制实际输出量u(k-1)得到当前实际输出量u(k)：
ξ为收敛速度调整系数，K(k)为神经元当前比例系数。
10.根据权利要求9所述一种面向考古作业的水下机器人的矢量控制方法，其特征在于，神经元的比例系数K根据评价函数来进行更新，评价函数J(k)为：
目前状态参数值包括机器人目前深度值和偏转状态值；输入权重值wi(i＝1,2,3)分别对应比例系数、积分系数、微分系数；当前偏转状态值可以通过姿态传感器获得，目前深度值可以通过深度传感器获得。
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