[发明专利]水下结构物检测机器人控制系统及运动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下结构物检测机器人，特别是一种水下结构物检测机器人的控制系统和运动控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

国外很早就开始了对水下结构物检测机器人的研究，而且也取得了一定的研究成果。如美国生产的大型水下机器人，SUPER SCORPIO、SUPER PHANTOM、TRITON等都成功地用于海上石油钻井平台设备的安装、检测、辅助及维护水下生产和常规作业。法国国家海洋开发中心与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管铺设、锚缆加固等复杂作业。英国从上个世纪九十年代初开始，开展了用于海洋石油开发水下检测的自动远程操纵系统项目研究开发。该系统布于近海现场，用于检测Mobile公司的Beryl Bravo平台。挪威开发的REMO是一种基于遥控潜水器的水下检测机器人，用于复杂钢管节点焊缝的清洁与检测，近年来，随着用于消除焊缝裂纹的机器人系统的发展，REMO系统的性能也已经大大发展。

在我国对于水下结构物检测机器人的研究还只能说是起步不久，相关的经验不是很丰富，国产水下机器人(ROV)主要集中在上海交通大学、中国科学院沈阳自动化研究所等几家单位，从事应用型ROV产品开发的公司较少，而且探测技术、工艺水平、导航与定位、复杂环境中的运动控制等方面与国外存在较大差距。

随着计算机技术、GPS定位技术及通讯传感技术的快速发展，远程智能水下结构物检测机器人在复杂水下环境中的观察能力、顶流作业能力、高精度的运动控制及定位能力等均需要进一步提高，同时通过改善水面支持系统与水下观察作业系统之间的人机交互界面，加大数据处理容量，全面提高水下结构物检测机器人操作控制水平和操作性能是发展趋势之一。申请号为201110373831.X，名称为“一种复合吸附船体清刷机器人”，其只能实现水下行走功能，功能单一；申请号为200310105200，名称为“一种分布式水下机器人控制系统”，它仅仅采用了一路RS-485网络通信，可靠性低，数据传输量也少；申请号为201310357116.6名称为“一种浅水用小型水下机器人甲板的控制装置”，没有紧急拍停按钮，遇到特殊情况处置不方便，也没有配备平板电脑，不能实现移动监控机器人，不方便其他人员观察机器人作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下结构物检测机器人控制系统及运动控制方法，解决现有技术缺陷，提供一种能够传输多种信号，带有紧急拍停按钮，平板电脑显示，运动切换单元，更强的安全保护，可以实现浮游和爬行两种功能的模块化控制系统，以及方便可靠、低消耗的运动控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种水下结构物检测机器人控制系统，包括水面系统、水下系统，所述水面系统放置在岸边或者母船上，水下系统安装在水下结构物检测机器人上；所述水面系统包括水面控制台1、水面通信收发器2、脐带缆3，所述水面控制台1与水面通信收发器2相连，所述水面通信收发器2与脐带缆3相连；

所述水下系统包括水下通信收发器4、供电单元5、嵌入式微控制器6、动力推进单元7、视觉照明单元8、运动切换单元9、安全保护单元10、传感器单元11；所述水下通信收发器4与脐带缆3相连，接收来自水面系统的控制信息，所述嵌入式微控制器6与水下通信收发器4相连，所述供电单元5、动力推进的单元7、控制视觉照明单元8、运动切换单元9、安全保护单元10、传感器单元11分别与嵌入式微控制器6相连，所述供电单元5给水下系统供电，动力推进单元7接收嵌入式微控制器6的速度和方向信息，驱动螺旋桨旋转，视觉照明单元8采集视频以及接收来自嵌入式微控制器6的云台和照明灯信号，运动切换单元9用以改变水下机器人的运动方式，安全保护单元10检测机器人内部环境信息发送给嵌入式微控制器6，并作数据存储，传感器单元11采集深度、导航、姿态、声呐数据传输给嵌入式微控制器6进行控制；所述嵌入式微控制器6采集水下系统各单元数据，经由水下通信收发器4发送到水面系统。

一种水下结构物检测机器人运动控制方法，该方法使用广义预测PID控制算法对机器人的深度和航向角进行控制以提高机器人的稳定性，具体步骤如下：

第一步：水下机器人采用受控自回归积分滑动平均模型，即CARIMA模型描述：