專利名稱：一種微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下機器人推進器控制技術(shù)，具體的說是微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法及裝置。
背景技術(shù)：
微型水下機器自帶能源，一次下水過程中不能進行能源的補給，所以如何高效的利用有限的能源是水下機器人綜合能力的重要指標。在消耗能源的部件中，推進器無疑是最高的一個部件，推進器使微型ROV產(chǎn)生了前進的動力。目前，推進器的矢量布置被廣泛采用，這種布置方法可以以最少的推進器個數(shù)獲得最多的自由度。科學合理的推進器推進分別算法可以充分發(fā)揮失量布置充推進器的優(yōu)勢，不僅提高動力，而且節(jié)省能源。節(jié)約能源對于自帶電池工作的微型ROV來說十分關(guān)鍵，現(xiàn)有技術(shù)往往忽略了微型ROV推進器的節(jié)能因素；微型ROV推進器功率小，額定電壓低，若不注意對控制電壓的濾波處理，很容易對推進器造成損壞。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的微型ROV推進器節(jié)能技術(shù)和推進器保護技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠最大限度降低推進器帶來的系統(tǒng)能量損耗且對推進器進行過壓保護的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法及裝置為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法包括以下步驟以矢量布置推進器推力分配能耗矩陣作為計算推力的依據(jù)；通過極值理論計算最小能耗的推力分配結(jié)果；通過尖峰值去除方法去除不正常數(shù)據(jù)，得到正常范圍內(nèi)的推進器控制電壓；通過推力/電壓轉(zhuǎn)換方法將計算得到的分配結(jié)果轉(zhuǎn)化為實際控制電壓。所述尖峰值去除方法包括以下步驟讀取推力分配結(jié)果電壓值；判斷該電壓值是否大于設定的上限；若推力分配結(jié)果電壓值大于上限，將該電壓值設為上限；判斷是否小于下限；若推力分配結(jié)果電壓值小于下限，將該電壓值設為下限。輸出經(jīng)過上述處理的電壓值。若推力分配結(jié)果電壓值不小于下限，則以電壓值原值作為輸出數(shù)據(jù)。若推力分配結(jié)果電壓值不大于上限，則接續(xù)判斷判斷推力分配結(jié)果電壓值是否小于下限步驟。所述推力/電壓轉(zhuǎn)換方法包括以下步驟讀取推力分配結(jié)果中的推力值；
該推力值減去推進器所能接受的實際電壓值的下限，所得結(jié)果除以實際電壓范圍，實際電壓范圍為實際電壓最大值減去實際電壓最小值；除以實際電壓范圍后結(jié)果再乘以推力值范圍，推力值范圍為推力值最大值減去推力值最小值；乘以推力值范圍后所得結(jié)果加上推力值最小值作為最后輸出的推進器控制電壓值。所述推進器為三個，2個在水平方向上布置，1個在垂直方向上布置，兩個水平方向布置的推進器與對稱軸夾角相同，均為θ，垂直方向的推進器與水平面夾角為90度，推力結(jié)果如下T1 = k 1 X Fx+k2 X FyT2 = klXFx-k2XFyT3 = FZ其中，F(xiàn)x、Fy、FZ分別為微型ROV前進、側(cè)移、潛浮三個自由度方向上的力，Tl、Τ2、 Τ3為三個推進器的推力，kl = 1/cos θ，k2 = 1/sia θ。本發(fā)明微型水下機器人矢量布置推進器推力分配裝置包括控制信號產(chǎn)生單元、 微控制器以及電壓輸出單元，其中控制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生電壓控制信號，輸出至微控制器；微控制器對電壓控制信號進行處理，生成實際的電壓控制信號至電壓輸出單元；電壓輸出單元將實際的電壓控制信號施加到機器人矢量布置推進器上。微控制器及電壓輸出單元均為PC104總線接口。電壓輸出單元的輸出電壓范圍為-10伏 10伏。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.采用最小損耗推力分配算法最大限度的降低了推進器帶來的系統(tǒng)能量損耗，經(jīng)過尖峰值去除方法去除了可能產(chǎn)生的對推進器造成損害的過大的電壓或脈沖，保證了系統(tǒng)安全運行，推力/電壓轉(zhuǎn)換方法可以將計算得到的推力轉(zhuǎn)換為推進器能夠接受和識別的模擬電壓值，保證控制效果的實現(xiàn)。ARM微控制器不僅處理速度快，還有效降低系統(tǒng)能耗，特備適合微型ROV這一類自帶能源的潛水器采用，Iinux系統(tǒng)有效的保證了系統(tǒng)實時性和控制效果。PM51IPU通過ARM微控制器的控制能夠產(chǎn)生和-10 IOV的控制電壓。


圖1為本發(fā)明方法流程圖；圖2為本發(fā)明方法中尖峰值去除方法流程圖；圖3為本發(fā)明方法中推力/電壓轉(zhuǎn)換方法流程圖；圖4為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本發(fā)明裝置實施例電氣連接圖。
具體實施例方式本發(fā)明公開一種基于ARM控制器、1 inux操作系統(tǒng)的微型ROV矢量布置推進器(推進器個數(shù)3個)的推力分配方法及其裝置。
本發(fā)明裝置如圖4所示，包括控制信號產(chǎn)生單元、微控制器以及電壓輸出單元， 其中控制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生電壓控制信號，輸出至微控制器；微控制器對電壓控制信號進行處理，生成實際的電壓控制信號至電壓輸出單元；電壓輸出單元將實際的電壓控制信號施加到機器人矢量布置推進器上?？刂菩盘栍尚盘柈a(chǎn)生裝置產(chǎn)生，本例中為控制單桿，控制單桿可以產(chǎn)生前進、側(cè)移、潛浮三個方向的控制信號，信號以電壓的形式產(chǎn)生。如圖5所示，ARM微控制器采用ATMEL公司生產(chǎn)的ARM9200E微控制器，該控制器的頻率為200MHz，足以滿足實時性的要求。操作系統(tǒng)采用RedHatLinuX9.0。該操作系統(tǒng)是Iinux家族中的一支，具有操作界面友好和驅(qū)動程序豐富的特點。將該系統(tǒng)移植到ARM9200E中并安裝PC104 驅(qū)動。在ARM9200E的PC104接口上連接數(shù)據(jù)卡，這里為北京中泰研創(chuàng)的PM511PU。該數(shù)據(jù)卡具有標準PC104接口，可以方便的插接到ARM9200E上，該卡具有模擬量輸出功能，可以輸出模擬電壓到推進器，控制其動作。在ARM微控制器中通過虛擬機安裝Iinux操作系統(tǒng)，在操作系中安裝PC104總線驅(qū)動，以備擴展PC104總線數(shù)據(jù)處理卡使用。通過ARM微控制器的PC104總線擴展PC104 標準的數(shù)據(jù)處理卡，產(chǎn)生電壓信號并連接至推進器產(chǎn)生推力。根據(jù)推進器個數(shù)形成推力分配矩陣，并根據(jù)極值理論通過導數(shù)計算方法產(chǎn)生最小損耗的唯一推力分配矩陣。將該唯一最小能耗推力分配矩陣的結(jié)果經(jīng)過尖峰值去除方法的過濾，再通過推力/電壓轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換成實際控制電壓，最后將該電壓輸送給推進器，產(chǎn)生推力。如圖1所示，本發(fā)明微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法包括以下步驟以矢量布置推進器推力分配能耗矩陣做為計算推力的依據(jù)；通過極值理論計算最小能耗的推力分配結(jié)果；通過推力/電壓轉(zhuǎn)換方法將計算得到的分配結(jié)果轉(zhuǎn)化為實際控制電壓；通過尖峰值去除方法去除不正常數(shù)據(jù)，得到正常范圍內(nèi)的推進器控制電壓，避免對控制器產(chǎn)生損壞。如圖2所示，所述尖峰值去除方法包括以下步驟讀取推力分配結(jié)果電壓值；判斷該電壓值是否大于設定的上限；若推力分配結(jié)果電壓值大于上限，將該電壓值設為上限；判斷是否小于下限；若推力分配結(jié)果電壓值小于下限，將該電壓值設為下限。輸出經(jīng)過上述處理的電壓值。通過極值理論計算最小能耗的推力分配結(jié)果的方法如下3個推進器2個在水平方向上布置，1個在垂直方向上布置，首先確定根推進器布置角度，設為0，兩個水平方向布置的推進器與對稱軸夾角均為θ，1個垂直方向的推進器夾角為90度。因此獲得推力分配矩陣如下Fx = cos θ XTl+cos θ XT2 ①Fy = sia θ XTl-sia θ ΧΤ2 ②FZ = Τ3③其中，F(xiàn)x、Fy、FZ分別為微型ROV前進、側(cè)移、潛浮三個自由度方向上的力，Tl、Τ2、T3為三個推進器的推力。根據(jù)最優(yōu)化控制理論構(gòu)造目標函數(shù)E = T12+T22+T32 ④根據(jù)極值理論，在④中對Tl求導數(shù)，并令其為零，得到0 = 2Tl+2T2dT2/d Tl+2T2d T3/d Tl ⑤最后將⑤式和①、②、③合并便可得到唯一的最小推力分配矩陣⑥、⑦、⑧。Tl = klXFx+k2XFy ⑥T2 = klXFx-k2XFy ⑦T3 = FZ⑧其中kl = 1/cos θ，k2 = 1/sia θ。推力/電壓轉(zhuǎn)換方法由運行于ARM微控制器內(nèi)的程序執(zhí)行，其流程圖如圖3所示讀取推力分配結(jié)果中的推力值；該推力值減去推進器所能接受的實際電壓值的下限，所得結(jié)果除以實際電壓范圍，實際電壓范圍為實際電壓最大值減去實際電壓最小值；除以實際電壓范圍后結(jié)果再乘以推力值范圍，推力值范圍為推力值最大值減去推力值最小值；乘以推力值范圍后所得結(jié)果加上實際電壓最小值做為最后輸出的推進器控制電壓值。微型ROV的控制器多采用嵌入式控制器，ARM控制器處理速度快、能耗低、外設驅(qū)動豐富，特別適合微型ROV的特點。在操作系統(tǒng)的選擇上，目前廣泛采用的有l(wèi)iniDuwince 等。Linux因其開放源代碼的有點，大大降低了開發(fā)成本，又因其良好的實時性和穩(wěn)定性，使其優(yōu)勢更加明顯。
權(quán)利要求
1.一種微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法，其特征在于包括以下步驟 以矢量布置推進器推力分配能耗矩陣作為計算推力的依據(jù)；通過極值理論計算最小能耗的推力分配結(jié)果；通過尖峰值去除方法去除不正常數(shù)據(jù)，得到正常范圍內(nèi)的推進器控制電壓； 通過推力/電壓轉(zhuǎn)換方法將計算得到的分配結(jié)果轉(zhuǎn)化為實際控制電壓。
2.按權(quán)利要求1所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法，其特征在于所述尖峰值去除方法包括以下步驟讀取推力分配結(jié)果電壓值；判斷該電壓值是否大于設定的上限；若推力分配結(jié)果電壓值大于上限，將該電壓值設為上限；判斷是否小于下限；若推力分配結(jié)果電壓值小于下限，將該電壓值設為下限。 輸出經(jīng)過上述處理的電壓值。
3.按權(quán)利要求2所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法，其特征在于 若推力分配結(jié)果電壓值不小于下限，則以電壓值原值作為輸出數(shù)據(jù)。
4.按權(quán)利要求2所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法，其特征在于 若推力分配結(jié)果電壓值不大于上限，則接續(xù)判斷判斷推力分配結(jié)果電壓值是否小于下限步馬聚ο
5.按權(quán)利要求2所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法，其特征在于所述推力/電壓轉(zhuǎn)換方法包括以下步驟讀取推力分配結(jié)果中的推力值；該推力值減去推進器所能接受的實際電壓值的下限，所得結(jié)果除以實際電壓范圍，實際電壓范圍為實際電壓最大值減去實際電壓最小值；除以實際電壓范圍后結(jié)果再乘以推力值范圍，推力值范圍為推力值最大值減去推力值最小值；乘以推力值范圍后所得結(jié)果加上推力值最小值作為最后輸出的推進器控制電壓值。
6.按權(quán)利要求1所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法，其特征在于 所述推進器為三個，2個在水平方向上布置，1個在垂直方向上布置，兩個水平方向布置的推進器與對稱軸夾角相同，均為θ，垂直方向的推進器與水平面夾角為90度，推力結(jié)果如下Tl = klXFx+k2XFy T2 = klXFx-k2XFy T3 = FZ其中，F(xiàn)x、Fy、FZ分別為微型ROV前進、側(cè)移、潛浮三個自由度方向上的力，T1、T2、T3為三個推進器的推力，kl = 1/cos θ，k2 = 1/sia θ。
7.—種微型水下機器人矢量布置推進器推力分配裝置，其特征在于包括控制信號產(chǎn)生單元、微控制器以及電壓輸出單元，其中控制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生電壓控制信號，輸出至微控制器； 微控制器對電壓控制信號進行處理，生成實際的電壓控制信號至電壓輸出單元；電壓輸出單元將實際的電壓控制信號施加到機器人矢量布置推進器上。
8.按權(quán)利要求7所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配裝置，其特征在于 微控制器及電壓輸出單元均為PC104總線接口。
9.按權(quán)利要求7所述的微型水下機器人矢量布置推進器推力分配裝置，其特征在于 電壓輸出單元的輸出電壓范圍為-10伏 10伏。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型水下機器人矢量布置推進器推力分配方法及裝置，方法為以矢量布置推進器推力分配能耗矩陣作為計算推力的依據(jù)；通過極值理論計算最小能耗的推力分配結(jié)果；通過尖峰值去除方法去除不正常數(shù)據(jù)，得到正常范圍內(nèi)的推進器控制電壓；通過推力/電壓轉(zhuǎn)換方法將計算得到的分配結(jié)果轉(zhuǎn)化為實際控制電壓。裝置包括控制信號產(chǎn)生單元、微控制器以及電壓輸出單元，控制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生電壓控制信號，輸出至微控制器；微控制器對電壓控制信號進行處理，生成實際的電壓控制信號至電壓輸出單元；電壓輸出單元將實際的電壓控制信號施加到機器人矢量布置推進器上。本發(fā)明保證了系統(tǒng)安全運行，保證控制效果的實現(xiàn)有效降低系統(tǒng)能耗。
文檔編號B63H23/24GK102485591SQ20101057413
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月4日
發(fā)明者何震, 孫凱, 李智剛, 秦寶成 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所