本發(fā)明涉及水下機器人控制系統(tǒng)技術領域，具體地說，是一種水下機器非視距控制系統(tǒng)。

背景技術：

近年來水下機器人發(fā)展迅速，水下機器人無論是在軍事，還是在人類生產生活中都有廣泛應用，而對其良好的操作方法和運動控制是水下機器人順利完成任務的重要前提和保障。

現(xiàn)有的水下機器人主要注重機械部分，只能進行簡單的機械運動，不能在非視距的條件下順利完成任務，所謂非視距是指需要通信的兩點視線受阻。彼此看不到對方，費涅爾區(qū)(圍繞視線的圓形區(qū)域)大于50％的范圍被遮擋。

我國針對非視距機器人的研究起步較晚，關于非視距機器人研究成果主要有：中科院自動化研究所近年來開展了基于互聯(lián)網的機器人實時雙向反饋非視距操作的研究；同濟大學的機器人及智能控制系統(tǒng)研究室在基與internet的機器人遠程控制技術及其應用方面的研究；清華大學自主研制出擁有高智能化程度的自動駕駛車THMR-V，THMR-V在校園環(huán)境里可以自主識別周圍環(huán)境，在沒有人干預的自主行走；哈爾濱工業(yè)大學研制出可以無纜行走，自動避障并具有語音識別功能的迎賓機器人。但是，關于非視距控制水下機器人研究則無相應的研究和報道。

目前的水下機器人在水中運動過程中，現(xiàn)場用戶不能直接觀察到水下機器人的運動狀態(tài)?，F(xiàn)場在水面上通過控制上位機，經浮標通信裝置向水下機器人發(fā)送指令，給水下機器人的操作帶來了巨大的障礙。同時操作系統(tǒng)的不方便性，水下機器人在運作過程中受外界因素的影響，傳統(tǒng)PID控制對于水下環(huán)境難以建立精確的數(shù)學模型導致控制效果較差，大大提高用戶通過水下機器人完成指定任務的難度。

中國專利文獻CN201610066680.6，申請日2016.01.29，專利名稱為：基于能量檢測的60GHz毫米波非視距識別與無線指紋定位方法，公開了一種基于能量檢測的60GHz毫米波非視距識別與無線指紋定位方法，包括：1)求由信號的偏度與梯度組成的聯(lián)合參數(shù)J、最優(yōu)歸一化門限以及梯度與標準差組成的參數(shù)M；2)建立J與最優(yōu)歸一化門限之間的指紋數(shù)據(jù)庫；3)利用指紋數(shù)據(jù)庫，根據(jù)J估計最優(yōu)化門限；4)利用M進行非視距識別；5)進行TOA估計，進而計算出距離；6)進行60GHz無線定位：根據(jù)非視距識別結果及TOA估計值，利用傳統(tǒng)的定位算法，進行基于60GHz信號的無線定位。

上述專利文獻克服了傳統(tǒng)的基于能量檢測的信號傳播時延估計算法必須區(qū)分積分周期這一缺點，同時運用人工神經網絡解決非線性問題，使得最優(yōu)歸一化門限與聯(lián)合參數(shù)之間的非線性關系更加精確，克服了傳統(tǒng)的曲線擬合無法準確估計輸入變量與輸出變量之間非線性關系這一缺點。但是關于一種操作簡單、能夠在非視距環(huán)境下精確控制，根據(jù)周圍環(huán)境做出相應調節(jié)，降低穩(wěn)態(tài)誤差的水下機器人非視距控制系統(tǒng)則無相應的公開。

綜上所述，亟需一種操作簡單、能夠在非視距環(huán)境下精確控制，根據(jù)周圍環(huán)境做出相應調節(jié)，降低穩(wěn)態(tài)誤差的水下機器人非視距控制系統(tǒng)。而關于這種水下機器人非視距控制系統(tǒng)還未見報道。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中的不足，一種操作簡單、能夠在非視距環(huán)境下精確控制，根據(jù)周圍環(huán)境做出相應調節(jié)，降低穩(wěn)態(tài)誤差的水下機器人非視距控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

一種水下機器人非視距控制系統(tǒng)，所述的非視距控制系統(tǒng)包括控制上位機、通信鏈路、非線性PID控制系統(tǒng)；所述的控制上位機位于上層，用于顯示現(xiàn)場用戶和水下機器人的朝向差動；所述的通信鏈路位于中層，用于控制上位機與水下機器人的通信；所述的非線性PID控制系統(tǒng)位于下層，用于對水下機器人的方向控制；

所述控制上位機包括：控制搖桿、平板電腦、顯示界面APP，用戶通過所述控制上位機的控制搖桿，向水下機器人發(fā)送方向控制指令，該控制指令通過水面上浮標通信裝置送達到水下機器人，并經過非線性PID控制系統(tǒng)處理；

所述現(xiàn)場用戶的朝向為第一方向；所述水下機器人的朝向為第二方向，并將該第二方向發(fā)送至所述的控制上位機；顯示界面APP的用戶界面根據(jù)該第一方向和第二方向，以第一方向為基準差動顯示所述水下機器人的朝向。

作為一種優(yōu)選的技術方案，控制搖桿供現(xiàn)場用戶調節(jié)，通過OTG線與平板電腦連接，并將命令發(fā)送到平板電腦的顯示界面APP，顯示界面APP對控制命令進行格式轉換后發(fā)送到水下機器人；顯示界面APP同時接受水下機器人的反饋信息顯示水下機器人當前的狀態(tài)。

作為一種優(yōu)選的技術方案，所述通信鏈路包括水面浮體基站、電力線載波模塊、臍帶纜、以太網轉串口模塊；所述電力線載波模塊位于水面浮體基站內；所述以太網轉串口模塊位于水下機器人主體內；控制上位機通過WiFi與水面浮體基站實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，電力線載波模塊對信號進行編碼和解碼以實現(xiàn)信號在臍帶纜上的傳輸，以太網轉串口模塊實現(xiàn)浮體基站的以太網數(shù)據(jù)和水下機器人主控MCU串口數(shù)據(jù)之間的交換。

作為一種優(yōu)選的技術方案，顯示界面APP的用戶界面標記有第一手柄、第二手柄；第一手柄表示現(xiàn)場用戶朝向，第二手柄表示水下機器人朝向。

作為一種優(yōu)選的技術方案，第一方向通過控制上位機的電子羅盤檢測；第二方向通過水下機器人搭載的慣導傳感器檢測，第一方向和第二方向的差動關系通過電子羅盤標識。

作為一種優(yōu)選的技術方案，以控制搖桿行程量的積分為控制量對水下機器人偏航角進行控制，并且附帶剎車系統(tǒng)

作為一種優(yōu)選的技術方案，所述的控制遙桿以100ms為周期進行循環(huán)采樣，再經過積分累加后發(fā)送到水下機器人作為方向的控制設定值。

作為一種優(yōu)選的技術方案，所述非線性PID控制系統(tǒng)對水下機器人方向控制的方法是：控制上位機通過通信鏈路向MCU發(fā)送方向設定值Set_yaw，然后對控制差值進行非線性化處理，最后經過PID控制器計算得到控制輸出發(fā)送給執(zhí)行機構。

作為一種優(yōu)選的技術方案，控制差值通過傳感器檢測水下機器人的輸出值與控制上位機控制命令之間的差值。

作為一種優(yōu)選的技術方案，非線性化處理是利用相應的非線性化函數(shù)對PID控制器中的控制輸入量進行非線性轉換。

本發(fā)明優(yōu)點在于：

1、發(fā)明實現(xiàn)了水下機器人在極小誤差內，用戶通過控制上位機實現(xiàn)水下機器人的方向控制，并且水下機器人朝向通過人機界面反饋給用戶，通過該系統(tǒng)，使得水下機器人的操作簡單，提高控制精度，降低了穩(wěn)態(tài)誤差，可以根據(jù)水環(huán)境的具體情況，對水下機器人做相應調節(jié)，滿足用戶的操作需求，實現(xiàn)了非視距操作。

2、采用該非線性PID控制系統(tǒng)的控制方法用于所述水下機器人方向控制，有效地提高水下機器人對被控參數(shù)的控制精度，使水下機器人在行進過程中的誤差范圍大大減小；

3、顯示界面APP以現(xiàn)場用戶的方向為基準，應用差動的方法顯示水下機器人的方向；讓用戶更直觀的意識到水下機器人當前的朝向；

4、以控制搖桿行程量的積分為控制量對水下機器人偏航角進行控制，附帶剎車系統(tǒng)，從而防止操作搖桿復位時由于數(shù)據(jù)延時和水下機器人慣性而造成控制超調現(xiàn)象，增加了控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。所述操縱系統(tǒng)簡化了降低了操作難度、調高了控制效果

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的一種水下機器人非視距控制系統(tǒng)結構框圖。

附圖2是水下機器人非視距控制系統(tǒng)差動顯示用戶界面示意圖。

附圖3為水下機器人通信鏈路示意圖。

附圖4為水下機體人通信流程圖。

附圖5為非線性PID控制系統(tǒng)對水下機器人方向控制方法示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明提供的具體實施方式作詳細說明。

附圖中涉及的附圖標記和組成部分如下所示：

1.第一手柄 2.第二手柄

3.水下機器人主體 4.臍帶纜

5.水面浮體基站 6.控制上位機

7.通信鏈路 8.非線性PID控制系統(tǒng)

請參照圖1，圖1是本發(fā)明的一種水下機器人非視距控制系統(tǒng)結構框圖。一種水下機器人非視距控制系統(tǒng)，所述的非視距控制系統(tǒng)包括控制上位機、通信鏈路、非線性PID控制系統(tǒng)；所述的控制上位機位于上層，用于顯示現(xiàn)場用戶和水下機器人的朝向差動；所述的通信鏈路位于中層，用于控制上位機與水下機器人的通信；所述的非線性PID控制系統(tǒng)位于下層，用于對水下機器人的方向控制。

所述控制上位機包括控制搖桿、平板電腦、顯示界面APP；控制搖桿供現(xiàn)場用戶調節(jié)，通過OTG線與平板電腦連接，并將命令發(fā)送到平板電腦的顯示界面APP，顯示界面APP對控制命令進行格式轉換后發(fā)送到水下機器人；顯示界面APP同時接受水下機器人的反饋信息顯示水下機器人當前的狀態(tài)；在水下機器人的方向控制中，顯示界面APP以現(xiàn)場用戶的方向為基準，應用差動的方法顯示水下機器人的方向；讓用戶更直觀的意識到水下機器人當前的朝向。

請參照圖2，圖2是水下機器人非視距控制系統(tǒng)差動顯示用戶界面示意圖。顯示界面APP的用戶界面標記有第一手柄、第二手柄；第一手柄表示現(xiàn)場用戶朝向，第二手柄表示水下機器人朝向，用戶可通過觀察用戶界面到所述水下機器人的實時視頻。運用控制上位機的電子羅盤檢測出控制上位機的朝向，默認與用戶朝向一致，在所述用戶界面中固定用戶朝向(與用戶界面朝向相同)為第一方向，以一帶刻度電子羅盤顯示用戶實時朝向，所述水下機器人搭載慣導傳感器檢測水下機器人實時朝向為第二方向，在電子羅盤中標識出與第一方向的差動關系，顯示效果如圖1所示。

本發(fā)明上層控制上位機中，用戶通過操控搖桿控制水下機器人方向的過程中，用戶操縱控制搖桿以100ms為周期進行循環(huán)采樣，再經過積分累加后發(fā)送到水下機器人作為方向的控制設定值。并且附加一個剎車系統(tǒng)，從而防止操作搖桿復位時由于數(shù)據(jù)延時和水下機器人慣性而造成控制超調現(xiàn)象，增加了控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。所述操縱系統(tǒng)簡化了降低了操作難度、調高了控制效果。

所述剎車系統(tǒng)。以yaw方向(繞Z軸轉動)為實施例，水下機器人在轉動過程中當用戶操縱搖桿復位時，由于慣性和數(shù)據(jù)采集延時會產生一定的過沖量，我們在程序中定義一變量set-process-vel讀取實時yaw值，當搖桿復位瞬間將set-process-vel賦值給當前yaw方向設定值set-yaw，從而顯小過沖量。當過沖到以極限時，set-process-vel再一次賦值給當前yaw方向設定值set-yaw從而防止回調。

請參照圖3，圖3為水下機器人通信鏈路示意圖。所述通信鏈路包括水面浮體基站、電力線載波模塊、臍帶纜、以太網轉串口模塊；所述電力線載波模塊位于水面浮體基站內；所述以太網轉串口模塊位于水下機器人主體內；控制上位機通過WiFi與水面浮體基站實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，電力線載波模塊對信號進行編碼和解碼以實現(xiàn)信號在臍帶纜上的傳輸，以太網轉串口模塊實現(xiàn)浮體基站的以太網數(shù)據(jù)和水下機器人主控MCU串口數(shù)據(jù)之間的交換。

請參照圖4，圖4為水下機體人通信流程圖。控制上位機6發(fā)送控制指令，通過WiFi將數(shù)據(jù)發(fā)送到水面浮體基站5，水面浮體基站內置電力線載波模塊，將以太網數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編碼，通過臍帶纜4傳輸數(shù)據(jù)。水下機器人主體與臍帶纜連接，內置的電力線載波模塊對接受的數(shù)據(jù)進行解碼，再通過內置以太網轉串口模塊將以太網數(shù)據(jù)轉化為串口數(shù)據(jù)實現(xiàn)與MCU之間的數(shù)據(jù)交換。上述通信鏈路為雙向通信。

請參照圖5，圖5為非線性PID控制系統(tǒng)對水下機器人方向控制方法示意圖。所述非線性PID控制系統(tǒng)對水下機器人方向控制方法是：控制上位機通過通信鏈路向MCU發(fā)送方向設定值Set_yaw，然后對控制差值進行非線性化處理，最后經過PID控制器計算得到控制輸出發(fā)送給執(zhí)行機構。其中控制差值為通過慣導傳感器檢測水下機器人的測量值與控制上位機發(fā)送的設定值之間的差值。。

非線性處理是利用相應的非線性化函數(shù)對PID控制器中的控制輸入量進行非線性轉換，構造出K_P[e(t)]、K_I[e(t)]、K_D[e(t)]，得到非線性PID控制模型如式(1.1)所示：

其中：K_P[e(t)]為非線性比例參數(shù)，K_I[e(t)]為非線性積分參數(shù)，K_D[e(t)]為非線性微分參數(shù)，e(t)為系統(tǒng)誤差，u(t)為PID控制器的輸出。

得到非線性PID控制模型如式所示：

Error＝set_point^2-process_vel^2

Pid_out＝kp*error+i_out+kd*(error-error_last)

本發(fā)明實現(xiàn)了水下機器人在極小誤差內，用戶通過控制上位機實現(xiàn)水下機器人的方向控制，并且水下機器人朝向通過人機界面反饋給用戶，通過該系統(tǒng)，使得水下機器人的操作簡單，提高控制精度，降低了穩(wěn)態(tài)誤差，可以根據(jù)水環(huán)境的具體情況，對水下機器人做相應調節(jié)，滿足用戶的操作需求，實現(xiàn)了非視距操作。

采用該非線性PID控制系統(tǒng)的控制方法用于所述水下機器人方向控制，有效地提高水下機器人對被控參數(shù)的控制精度，使水下機器人在行進過程中的誤差范圍大大減小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發(fā)明的保護范圍。