一種基于多推進(jìn)器的水下航行器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多推進(jìn)器的水下航行器控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)、利用海洋資源的時代。而水下航行器是開發(fā)利用海洋資源的重點(diǎn)裝備。水下航行器不僅在開發(fā)利用海洋方面起著重大作用，同時也是水下探測、打撈、救護(hù)的重要工具。要保證下航行器能有效地完成上述工作，就要能很好的控制航行器的動作和控位精度。由于水下航行器工作環(huán)境的復(fù)雜，加上本身形狀的不規(guī)則性，往往很難建立良好的數(shù)學(xué)模型，難以設(shè)計(jì)出適應(yīng)性良好的控制方法。
[0003]若想控制水下航行器從A點(diǎn)位置到B點(diǎn)位置，由于海里的水動力環(huán)境復(fù)雜，故從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)的路徑為非直線運(yùn)動，在行駛過程中，需要進(jìn)行多種前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等的組合動作。然而，目前大多水下航行器的推進(jìn)器配置方式大多采用左右對稱方式排布，僅能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎功能。其可供選擇的運(yùn)動軌跡較少，進(jìn)而增加了控制難度。此外，由于水下航行器的轉(zhuǎn)彎半徑較大，當(dāng)水下航行器接近B點(diǎn)位置時，很難實(shí)現(xiàn)精確的到達(dá)該位置點(diǎn)B，即精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于多推進(jìn)器的水下航行器控制方法，能夠靈活的控制水下航行器的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)水下航行器的前進(jìn)后退、左右平移、原地旋轉(zhuǎn)或任意半徑的轉(zhuǎn)彎。進(jìn)而提高了靈活性和機(jī)動性能，而且，任意半徑的轉(zhuǎn)彎，提高了精度。
[0005]—種基于多推進(jìn)器的水下航行器控制方法:所述水下航行器包括七個推進(jìn)器，其中四個推進(jìn)器安裝在水下航行器的水平安裝面上，另外三個推進(jìn)器與所述水平安裝面呈一定角度安裝固定；
[0006]所述安裝在水平安裝面上的四個推進(jìn)器的排布方式為:
[0007]以水平安裝面的中心位置為原點(diǎn)O，建立平面直角坐標(biāo)系，定義水下航行器艏艉方向作為y軸，水平面內(nèi)與y軸垂直的方向作為X軸，形成xoy平面;X軸和y軸將所述水平安裝面劃分為四個象限，形成四個安裝區(qū)；定義推進(jìn)器螺旋槳所在端為尾部，其對立端為頭部;推進(jìn)器1、推進(jìn)器2、推進(jìn)器3和推進(jìn)器4對應(yīng)地固定在第二、一、四和三象限上，且推進(jìn)器3的頭部朝向X軸，尾部朝向y軸擺放;推進(jìn)器4的頭部朝向y軸，尾部朝向X軸擺放;推進(jìn)器2與推進(jìn)器3呈X軸對稱;推進(jìn)器I與推進(jìn)器4呈X軸對稱；向和y軸方向均垂直，形成三維直角坐標(biāo)系；在xoz平面內(nèi)固定兩個推進(jìn)器，兩個推進(jìn)器呈z軸對稱，且兩個推進(jìn)器的頭部朝向原點(diǎn)0安裝;另一個推進(jìn)器與水平安裝面垂直的、且頭部朝向xoy平面安裝在水下航行器的艉部。
[0008]所述水平安裝面上的四個推進(jìn)器用于控制水下航行器的前進(jìn)、后退、左移、右移、原地旋轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)彎:
[0009]根據(jù)水平安裝面上的四個推進(jìn)器的頭尾安裝方向以及水下航行器的移動方向，進(jìn)行力學(xué)分析，確定每個推進(jìn)器所對應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，之后，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和水下航行器的移動方向，設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)四個電機(jī)轉(zhuǎn)動后的合力方向與水下航行器的移動方向一致；
[0010]與所述的水平安裝面呈一定角度三個推進(jìn)器用于控制水下航行器垂直上浮或下潛；
[0011 ]當(dāng)控制水下航行器垂直上浮時:安裝在XOZ平面內(nèi)的兩個推進(jìn)器的電機(jī)等速正轉(zhuǎn)；另一個推進(jìn)器的電機(jī)根據(jù)水下航行器的縱傾姿態(tài)角，自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；
[0012]當(dāng)控制水下航行器垂直下潛時:安裝在xoz平面內(nèi)的兩個推進(jìn)器的電機(jī)等速反轉(zhuǎn)；另一個推進(jìn)器的電機(jī)根據(jù)水下航行器的縱傾姿態(tài)角，自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。
[0013]較佳地，水平安裝面上的四個推進(jìn)器控制前進(jìn)、后退、左移、右移、原地旋轉(zhuǎn)和任意半徑的轉(zhuǎn)彎的具體方法為:
[0014]推進(jìn)器1、推進(jìn)器2、推進(jìn)器3和推進(jìn)器4對應(yīng)的電機(jī)分別為電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4;
[0015]前進(jìn):電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4均保持正轉(zhuǎn)，同時電機(jī)I和電機(jī)2轉(zhuǎn)速相等，電機(jī)3和電機(jī)4轉(zhuǎn)速相等；
[0016]后退:電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4均保持反轉(zhuǎn)，同時電機(jī)I和電機(jī)2轉(zhuǎn)速相等，電機(jī)3和電機(jī)4轉(zhuǎn)速相等；
[0017]左移:電機(jī)I和電機(jī)3反轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4正轉(zhuǎn)，同時電機(jī)I和電機(jī)4轉(zhuǎn)速相等，電機(jī)2和電機(jī)3轉(zhuǎn)速相等；
[0018]右移:電機(jī)I和電機(jī)3正轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4反轉(zhuǎn)，同時電機(jī)I和電機(jī)4轉(zhuǎn)速相等，電機(jī)2和電機(jī)3轉(zhuǎn)速相等；
[0019]原地左旋轉(zhuǎn):電機(jī)I和電機(jī)4反轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)3正轉(zhuǎn)，電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速相同；
[0020]原地右旋轉(zhuǎn):電機(jī)I和電機(jī)4正轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)3反轉(zhuǎn)，電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速相同；
[0021 ] 左轉(zhuǎn)彎:電機(jī)I和電機(jī)4反轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)3正轉(zhuǎn)，電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速相同；并調(diào)整轉(zhuǎn)速；
[0022 ] 右轉(zhuǎn)彎:電機(jī)I和電機(jī)4正轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)3反轉(zhuǎn)，電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速相同；并調(diào)整轉(zhuǎn)速。
[0023]有益效果:
[0024]本發(fā)明采用七個推進(jìn)器，分別以相互對稱的方式排布在水下航行器上，通過改變每個推進(jìn)器的電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，以實(shí)現(xiàn)力的相互疊加或抵消，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下航行器的前進(jìn)后退、左右平移、原地旋轉(zhuǎn)或任意半徑的轉(zhuǎn)彎，同時由于潛航器在設(shè)計(jì)加工中難以保證其水中的阻力對稱平衡，這樣潛航器在航行過程中難以直線航行，如果推進(jìn)器采用對稱布置控制方式，各個方向的不平衡性難以同時解決，采用本方案的控制方式可以較好的克服上述問題。
【附圖說明】
[0025]圖1(a)為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0026]圖1(b)為本發(fā)明結(jié)構(gòu)初始情況下的受力分析示意圖；
[0027]圖2(a)為前進(jìn)時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0028]圖2(b)為如進(jìn)時電機(jī)受力分析不意圖；
[0029]圖3(a)為后退時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0030]圖3(b)為后退時電機(jī)受力分析示意圖；
[0031 ]圖4(a)為左移時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0032]圖4(b)為左移時電機(jī)受力分析不意圖；
[0033]圖5(a)為右移時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0034]圖5(b)為右移時電機(jī)受力分析不意圖；
[0035]圖6(a)為左旋轉(zhuǎn)時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0036]圖6(b)為左旋轉(zhuǎn)時電機(jī)受力分析示意圖；
[0037]圖7(a)為右旋轉(zhuǎn)時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0038]圖7(b)為右旋轉(zhuǎn)時電機(jī)受力分析示意圖；
[0039]圖8(a)為上浮時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0040]圖8(b)為上浮時電機(jī)受力分析不意圖；
[0041]圖9(a)為下潛時手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖；
[0042]圖9(b)為下潛時電機(jī)受力分析示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0044]本發(fā)明提供了一種基于多推進(jìn)器的水下航行器控制方法;本發(fā)明共采用七個推進(jìn)器，其中四個推進(jìn)器安裝在水下航行器的水平安裝面上，另外三個推進(jìn)器與所述的水平安裝面呈一定角度安裝固定。其中，選取水下航行器的下表面作水平安裝面。
[0045]其中，安裝在水平安裝面上的推進(jìn)器的排布為:
[0046]如圖1(a)所示的方式，固定推進(jìn)器，采用現(xiàn)有技術(shù)中的手柄控制方式，通過控制推進(jìn)器的正或反轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)水下航行器的前進(jìn)后退或左右平移
[0047]如圖1(a)和1(b)所示，以水平安裝面的中心位置為原點(diǎn)O，建立平面直角坐標(biāo)系，定義水下航行器艏艉方向作為y軸，水平面內(nèi)與其垂直的方向作為X軸，形成xoy平面;X軸和y軸將所述水平安裝面劃分為四個象限，其中，定義右上為第一象限，逆時針順次排序;形成四個安裝區(qū)；定義推進(jìn)器螺旋槳所在端為尾部，其對立端為頭部;推進(jìn)器1、推進(jìn)器2、推進(jìn)器3和推進(jìn)器4對應(yīng)地固定在第二、一、四和三象限上，且推進(jìn)器I頭部的安裝位置與推進(jìn)器2頭部的安裝位置呈y軸對稱;推進(jìn)器2頭部的安裝位置與推進(jìn)器3尾部的安裝位置呈X軸對稱；推進(jìn)器3尾部的安裝位置和推進(jìn)器4尾部的安裝位置呈y軸對稱;這樣一來，通過改變推進(jìn)器的正或反轉(zhuǎn)以及推進(jìn)器所受的轉(zhuǎn)速，便可實(shí)現(xiàn)對水下航行器的左右橫移或前進(jìn)后退。
[0048]當(dāng)手柄I向前推時，如圖2(a)所示的手柄操作與電機(jī)動作的關(guān)系圖，電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4均保持正轉(zhuǎn)，同時電機(jī)I和電機(jī)2轉(zhuǎn)速相等，電機(jī)3和電機(jī)4轉(zhuǎn)速相等;這時，如圖2(b)所示，分析電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3和電機(jī)4的受力會發(fā)現(xiàn)，將產(chǎn)生前進(jìn)合力，控制水下航行器前進(jìn)動作，前進(jìn)速度與手柄量程正比例關(guān)系。
[0049]當(dāng)手柄I向