[发明专利]一种水下机器人矢量推进器的控制系统、控制方法及矢量角度选择方法

权利要求书

1.一种水下机器人矢量推进器的控制系统的控制方法，其特征在于，控制系统包括用于驱动水下机器人运动的矢量推进器(3)、若干检测水下机器人状态的电压型传感器、上位机、控制模块，所述上位机用于发送控制电压信号，所述控制模块包括信号采集模块、信号接收模块、信号输出模块和控制信号调节模块，所述信号采集模块用于采集所述电压型传感器的电压输出信号，所述信号接收模块用于接收上位机发送的控制电压信号以及信号采集模块采集的电压输出信号，所述控制信号调节模块用于根据信号接收模块接收的信号进行电压PID闭环计算得到闭环输出控制电压，且控制信号调节模块用于调节闭环输出控制电压的输出速度；所述信号输出模块用于将控制信号调节模块调节之后的闭环输出控制电压转换成矢量推进器(3)的控制信号，并对矢量推进器(3)进行控制；

控制方法包括以下步骤：

步骤1：采集水下机器人的状态信息并上传至上位机；

步骤2：上位机根据水下机器人的状态信息发送控制电压信号；

步骤3：根据上位机发送的控制电压信号以及采集的水下机器人状态信息的电压信号，进行电压PID闭环计算得到闭环输出控制电压；

步骤4：调节闭环输出控制电压的输出速度；

步骤5：将调节之后的闭环输出控制电压转换成矢量推进器(3)的控制信号，并对矢量推进器(3)进行控制；

所述步骤3中电压PID闭环计算公式为：

其中，u_O(k)为闭环输出控制电压；e(k)为误差，e(k)＝u_I(k)-u_R(k)，u_I(k)为上位机发送的控制电压信号的电压值，u_R(k)为采集的电压值；T₁为u_O(k)的更新周期，K_P、K_I、K_D为PID闭环调节参数。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4中将闭环输出控制电压u_O(k)代入至控制电压缓变调节函数，通过调节缓变参数k_A实现闭环输出控制电压的输出速度调节，电压缓变调节函数为：

u_S(j+1)＝u_S(j)+k_A[u_O(k)-u_S(j)]

其中，u_S(j+1)为缓变调节后输出的控制电压数字量；k_A为缓变参数，T₂为u_S(j)的更新周期，T₂＝1/k_A且T₁≥10T₂。

3.一种采用根据权利要求1所述的控制方法的矢量推进器控制系统，其特征在于，所述水下机器人包括外框架(1)、固定于外框架(1)内的电子舱(2)，所述外框架(1)两侧对称设置四个矢量推进器(3)，所述电压型传感器、信号采集模块、控制模块均设置于电子舱(2)内。

4.根据权利要求3所述的矢量推进器控制系统，其特征在于，所述矢量推进器(3)包括水下推进器(21)和水下舵机(19)，所述水下舵机(19)输出端与水下推进器(21)侧面连接，水下舵机(19)调节水下推进器(21)的推进角度。

5.一种应用权利要求3或4所述矢量推进器控制系统的矢量角度选择方法，其特征在于，通过分析得到矢量推进器矢量角度的选择对水下机器人运动的影响规律，选取满足水下机器人运动需求的矢量角度；具体包括：

理论计算分析矢量推进器矢量角度及推力对水下机器人各自由度运动的控制；

仿真分析矢量推进器在推力相同、矢量角度变化时，水下机器人各自由度运动的变化规律；

进行水下机器人水下运动的水池实验，并通过实验结果分析矢量推进器在矢量角度变化时，水下机器人各参数的变化规律。