[发明专利]一种水下机器人控制系统

说明书

本发明涉及水下机器人控制技术领域，且公开一种水下机器人控制系统，包括：传感器模块；控制器模块，其包括主控单元和FPGA单元；主控单元接收传感器模块检测的信息并对其解析处理，以获取到水下机器人的实际状态信息，主控单元计算水下机器人的参考目标值和实际状态信息之间的误差，作为鲁棒控制器的输入值；FPGA单元包括FPGA逻辑端和HPS端，FPGA逻辑端通过HPS端与主控单元双向通信，且FPGA逻辑端用于并行执行鲁棒控制器的矩阵运算；多个推进器，主控单元接收鲁棒控制器的输出值、根据输出值进行力矩分配、且将所分配力矩对应的多个控制信号分别输出至多个推进器。本发明能够使水下机器人实时且稳定的鲁棒控制。

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术领域，尤其涉及一种水下机器人控制系统。

背景技术

水下机器人是复杂的机械电子综合体，严苛的控制目标对水下机器人控制硬件平台的实时性和可靠性提出了极高的要求。

与陆地机器人不同，水下机器人具有布放难度大、运行作业成本高的特点，因此，水下机器人一般采用压缩空间的紧凑设计方案来降低布放和运维难度。而且为了提高水下机器人的航行作业时间，并增强机器人的观测与作业能力，水下机器人内部的大部分空间被电池和传感器单元所占据，因此，机器人内部空间十分紧张。

由于上述原因，水下机器人的主控单元为了压缩硬件尺寸，降低主控功耗，通常选择功能裁剪的嵌入式计算板卡作为其主控硬件，但是这种主控计算单元通常只有有限的接口和计算能力，许多先进的控制理论方法无法直接有效的应用在这些水下机器人上。此外，采用连续信号表述的控制器从理论算法转变为实际的离散控制器需要硬件平台提供高速的计算能力和准确的时钟输出，例如多输入多输出鲁棒控制算法中存在大量的浮点数矩阵运算，高维度控制器若采用非实时的串行软件编程方式实现，则难以保证实际控制器在准确的时刻产生控制信号，系统控制性能可能出现较大损失。

面对如上问题，设计一套满足实时性要求且稳定可靠的水下机器人控制系统是必要的。

发明内容

为了解决如上技术问题，本发明的实施例提供一种水下机器人控制系统，采用分布式、模块化功能设计，提高控制系统的可维护性及向后拓展能力；利用FPGA单元的并行计算能力，对水下机器人的鲁棒控制器进行实时且快速地运算，实现对水下机器人实时且可靠的稳定控制；采用HPS端在FPGA单元和主控单元之间进行双线程通信，确保通信快速且可靠。

为实现上述发明，本发明采用下述技术方案予以实现：

本申请涉及一种水下机器人控制系统，其特征在于，包括：

传感器模块，其用于检测水下机器人的信息；

控制器模块，其包括主控单元和FPGA单元；主控单元接收传感器模块检测的信息并对其解析处理，以获取到水下机器人的实际状态信息；主控单元计算参考目标值和实际状态信息之间的误差，作为鲁棒控制器的输入值；FPGA单元包括FPGA逻辑端和HPS端，FPGA逻辑端通过HPS端与主控单元双向通信，且FPGA逻辑端用于并行鲁棒控制器的矩阵运算；

多个推进器，所述主控单元接收鲁棒控制器的输出值、根据输出值进行力矩分配、且将所分配力矩对应的多个控制信号分别输出至多个推进器；

能源供应模块，其通过电力总线向所述水下机器人控制系统中用电部件供电。

为实现鲁棒控制器的并行矩阵计算，在本申请的一些实施例中，所述鲁棒控制器为多输入多输出控制器，且状态空间表达式离散化表示为：

x(k+1)=A(k)*x(k)+ B(k)*e(k)

y(k)=C(k)*x(k)；

所述FPGA逻辑端包括数据流执行模块、状态控制模块和状态机；