[发明专利]一种适用于上层海洋机器人沉浮及姿态控制系统

说明书

本发明提岀一种适用于上层海洋机器人沉浮及姿态控制系统，包括前部俯仰控制腔,其构成为一个壳体分隔出气体腔与液体腔，通过俯仰步进电机对两个腔体的空间比进行控制，将其固定在控制配置板前部；中部沉浮控制腔，其构成与前部俯仰控制腔相同，与前部俯仰控制腔的区别在于中部沉浮控制腔体较大且固定在控制配置板中部，通过沉浮步进电机进行控制；控制处理模块，采用ARM芯片进行控制且固定在控制配置板后部；压力数据采集系统，固定在水下机器人机体壳体外部同一水平线上；无线发送模块，将获取数据上传至上位机并接受上位机的控制信息；提供上层海洋水下机器人沉浮控制及利用波浪补偿调整水下姿态方法。

技术领域

本发明涉及一种波浪补偿技领域，具体涉及一种适用于上层海洋机器人沉浮及姿态控制系统。

背景技术

如今水下机器人已经广泛的利用在安全搜救、渔业以及水下检查等领域，由连琏发表在海洋工程期刊的论文“水下物体在波浪力作用下的运动计算”得出当潜深到达30m时，波浪对水下机器人的影响可以忽略；但一些处于上层海洋的机器人受波浪的影响就比较大，对于水下机器人来说，姿态控制的好坏关系着生产质量的高低，例如水下船体检测机器人，工作与上层海洋首波浪影响严重，若无姿态控制对波浪进行补偿将使得获取画面拍动严重从而影响工作质量；有关水下机器人的姿态控制有通过螺旋桨控制，通过浮筒产生浮力进行控制。

专利CN 108995786 A公开了一种运行姿态可调的水下机器人，其提供的机器人通过三个驱动电机控制三个螺旋桨，并利用图像采集系统采集的图像对机器人姿态进行控制；利用螺旋桨对机器人的姿态进行控制的控制方法直接且简单，但由于螺旋桨的流体推进效率不超过40％且姿态控制系统与沉浮系统为两套系统，不利于系统的节能性和程序编写的简洁性。

对于一些工作在上层海洋的水下机器人需要要求机器人满足轻量化、高效化与具有较好的波浪补偿能力，现有的水下机器人对于波浪补偿方面的实时性不高且体积占比较大，需要进行轻量化、对布置方案进行优化和波浪补偿控制算法的优化。

发明内容

本发明的目的在于解决水下机器人的波浪补偿以波浪补偿过程与沉浮过程相结合的问题，本专利结合仿生鱼机器人进行研究，提供一种适用于上层海洋机器人的沉浮及姿态控制系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种适用于上层海洋机器人的沉浮及姿态控制系统，其包括：前部俯仰控制腔，固定在控制配置板前部；中部沉浮控制腔，固定在控制配置板中部；两个步进电机分别放置于数据处理与控制模块的两侧；数据处理与控制模块，固定于控制配置板后部；压力数据采集系统，固定在水下机器人机体外部同一水平线上。

本发明中，仿生鱼由仿生鱼鱼体、沉浮步进电机、俯仰步进电机、控制处理模块、无线传输模块、沉浮控制腔、俯仰控制腔、和推进装置；控制处理模块与步进电机相连，向步进电机发送控制信号控制其转速从而控制俯仰控制腔、沉浮控制腔腔体变化的速度进而改变仿生鱼鱼体的浮力，对沉浮与纵摇进行补偿；无线传输模块与鱼体外部的压力数据采集系统相连，将数据通过ADC模块处理后发送至上位机，上位机对数据进行分析并预测后，将控制信号通过无线传输模块传至控制处理模块并由控制处理模块控制步进电机改变沉浮腔的体积；控制处理模块与仿生鱼尾舵机通过串口进行控制，通过输出PWM信号控制舵机的运动速度和角度推动仿生鱼体前进。

进一步地，将俯仰沉浮腔设置在控制配置板前部，通过控制前部的浮力对仿生鱼鱼体的纵摇运动进行限制；为节省配置盘空间与减少装置重量，将前后均布置沉浮腔的设计进行删减与优化，仅保留前部沉浮腔进行姿态控制。

进一步地，将压力采集系统中的压力传感器布置在同一水平线上，前部压力传感器获取的压力值记为P_f，尾部压力传感器获取的压力值记为P_b；前后压力传感器获取的压力差值，即为姿态压力差ΔP_p＝P_f-P_b，当ΔP_p0表示姿态为后翘状态；同理，当ΔP_p0表示姿态为前仰状态。