一种rov姿态控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明具体涉及一种ROV姿态控制方法及系统，该方法包括：获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速；在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数V_roll同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速；根据俯仰姿态控制参数V_pitch同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速；根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速；计算各垂直推进器的姿态输出值。通过本发明的技术方案，在无需调节配重块的前提下能够实现ROV的多种姿态控制。
【专利说明】
一种ROV姿态控制方法及系统
技术领域
[0001]本发明涉及无人遥控潜水器技术领域，具体涉及一种ROV姿态控制方法及系统。
【背景技术】
[0002]ROV(Remote Operated Vehicle，无人遥控潜水器)是用于水下观察、检查和施工的水下机器人。小型水下观测型ROV体积小巧，操作方便，在水下检测项目中发挥着重要作用。为取得好的检测效果，ROV在检测过程中，机身要处于水平姿态。但由于ROV体积小重量轻，其姿态对于重浮心的改变比较敏感，为使ROV在水中呈水平姿态，在生产制造过程中不但需要考虑各零部件重心的分布，甚至需要外加配重块进行调平。
[0003]现有的小型ROV在设计之初就会考虑到配平问题，但是随外部搭载或水密度的改变，ROV需要增减配重块，以达到水平悬浮状态。传统ROV依靠配重实现自身的姿态调整，其缺陷在于:但只能通过配重依靠自身重心、浮心相对位置产生的稳定性进行姿态调节，不能灵活地进行多种姿态的切换。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种ROV姿态控制方法及系统，在无需调节配重块的前提下实现ROV的多种姿态控制。
[0005]为实现以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种ROV姿态控制方法，包括:
[0007]获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速(V_
hoveringl、V_hovering2......V_hoveringN)，其中，N为自然数，ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧；
[0008]在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数V_roll同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速，其中，V_roll彡O;
[0009]在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参数V_pitch同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速，其中，V_pitch彡O;
[0010]在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速，其中，V_depth多O;
[0011]根据如下公式(I)?(N)，计算各垂直推进器的姿态输出值；
[0012]V_out I=V_hoveringl-V_roll-V_pitch+V_depth(I)；
[0013]V_out 2 = V_hovering2-V_roll+V_pitch+V_depth(2)；
[0014]……
[0015]V_out N=V_hoveringN+V_ro11-V_pitch+V_depth(N)0
[0016]优选地，所述横滚姿态控制参数V_roll具体根据如下步骤得到:
[0017]获取ROV当前状态下的横滚角，并计算当前状态下的横滚角与目标横滚角之间的误差;
[0018]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的横滚姿态控制参数V_rol I。
[0019]优选地，所述俯仰姿态控制参数V_pitch具体根据如下步骤得到:
[0020]获取ROV当前状态下的俯仰角，并计算当前状态下的俯仰角与目标俯仰角之间的误差;
[0021]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的俯仰姿态控制参数V_pitch。
[0022]优选地，所述深度控制参数V_depth具体根据如下步骤得到:
[0023]获取ROV当前状态下的深度值，并计算当前状态下的深度值与目标深度值之间的误差;
[0024]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的深度控制参数V_depth。
[0025]优选地，所述ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体中轴线两侧，ROV本体两侧的垂直推进器数量相等。
[0026]优选地，所述ROV姿态控制方法，还包括:
[0027]获取ROV当前状态下的行进方向，并计算当前状态下的行进方向和目标行进方向之间的误差；其中，所述ROV本体上还设置有ROV水平推进器组，所述ROV水平推进器用于控制ROV的行进方向，所述ROV水平推进器组中各水平推进器对称设置在所述ROV本体的两侧；
[0028]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各水平推进器的行进方向控制参数；
[0029 ]根据所述行进方向控制参数对各水平推进器的行进方向进行控制。
[0030]优选地，所述ROV水平推进器组中的各水平推进器对称设置在ROV本体中轴线两侧，ROV本体两侧的水平推进器数量相等。
[0031]优选地，所述水平推进器组中共有两个水平推进器，所述两个水平推进器对称设置在ROV本体的尾部两侧。
[0032]一种ROV姿态控制系统，包括:
[0033]获取单元，用于获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速(V_hoveringl、V_hovering2......V_hoveringN)，其中，N为自然数，ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧；
[0034]横滚姿态控制单元，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数V_roll同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速，其中，V_roll彡O;
[0035]俯仰姿态控制单元，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参数V_pitch同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速，其中，V_pitch彡O;
[0036]深度控制单元，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速，其中，V_depth^O ；
[0037]姿态计算单元，用于根据如下公式(I)?(N)，计算各垂直推进器的姿态输出值；
[0038]V_out I=V_hoveringl-V_roll-V_pitch+V_depth(I)；
[0039]V_out 2 = V_hovering2-V_roll+V_pitch+V_depth(2)；
[0040]……
[0041]V_out N=V_hoveringN+V_ro11-V_pitch+V_depth(N)0
[0042]优选地，所述ROV姿态控制系统，还包括:
[0043]误差计算单元，用于获取ROV当前状态下的行进方向，并计算当前状态下的行进方向和目标行进方向之间的误差；其中，所述ROV本体上还设置有ROV水平推进器组，所述ROV水平推进器用于控制ROV的行进方向，所述ROV水平推进器组中各水平推进器对称设置在所述ROV本体的两侧；
[0044]参数计算单元，用于将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各水平推进器的行进方向控制参数；
[0045]水平姿态控制单元，用于根据所述行进方向控制参数对各水平推进器的行进方向进行控制。
[0046]本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果:
[0047]本发明提供的这种ROV姿态控制方法及系统，通过对称设置在ROV本体两侧的ROV垂直推进器组，实现对ROV的横滚姿态控制、俯仰姿态控制和深度控制;通过对称设置在ROV本体两侧的ROV水平推进器组，能实现ROV前进、后退和航向角的调节和控制，相比现有技术，在无需调节配重块的前提下实现ROV的多种姿态控制。
【附图说明】
[0048]图1为本发明一实施例提供的一种ROV姿态控制方法的流程示意图；
[0049]图2为本发明一实施例提供的一种ROV结构不意图；
[0050]图3为本发明一实施例提供的一种ROV姿态控制系统的示意框图。
【具体实施方式】
[0051]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0052]参见图1，本发明一实施例提供的一种ROV姿态控制方法，包括:
[0053]步骤S1、获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速(V_
hoveringl、V_hovering2......V_hoveringN)，其中，N为自然数，ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧；
[0054]步骤S2、在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数V_roll同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速，其中，V_roll彡O;
[0055]步骤S3、在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参数V_pitch同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速，其中，V_pitch彡O;
[0056]步骤S4、在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速，其中，V_depth多O;
[0057]步骤S5、根据如下公式(I)?(N)，计算各垂直推进器的姿态输出值；
[0058]V_out I=V_hoveringl-V_roll-V_pitch+V_depth(I)；
[0059]V_out 2 = V_hovering2-V_roll+V_pitch+V_depth(2)；
[0060]……
[0061]V_out N=V_hoveringN+V_ro11-V_pitch+V_depth(N)0
[0062]由上述技术方案可知，本发明提供的这种ROV姿态控制方法及系统，通过对称设置在ROV本体两侧的ROV垂直推进器组，实现对ROV的横滚姿态控制、俯仰姿态控制和深度控制，相比现有技术，在无需调节配重块的前提下实现ROV的多种姿态控制。
[0063]为了便于理解本发明提供的这种ROV姿态控制方法，现以ROV垂直推进器组中有四个垂直推进器进行举例说明:
[0064]参见图2，四个垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧，四个垂直推进器和ROV本体在水平面的投影呈X布局，四个垂直推进器主要负责ROV的横滚姿态、俯仰姿态、深度或高度调节;2个水平推进器分别为水平推进器5和水平推进器6，对称设置在ROV本体的尾部，负责ROV的航向调节和ROV的前进、后退控制。
[0065]其中，四个垂直推进器分别为垂直推进器1、垂直推进器2、垂直推进器3、垂直推进器4，其中，垂直推进器I和垂直推进器2设置在ROV本体的左侧，垂直推进器3和垂直推进器4设置在ROV本体的右侧;垂直推进器I和垂直推进器4设置在ROV本体的首部，垂直推进器2和垂直推进器3设置在ROV本体的中部。
[0066]针对图2所示的ROV结构示意图，本发明提供的这种ROV姿态控制方法具体实现步骤如下:
[0067]步骤SlOl、获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速(V_hoveringl、V_hovering2、V_hovering3、V_hovering4)；
[0068]步骤S102、在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数V_roll同幅度减小垂直推进器I和2的转速，同幅度增加垂直推进器3和4的转速，其中，V_roll^O；
[0069]步骤S103、在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参数V_pitch同幅度减小垂直推进器I和4的转速，同幅度增加垂直推进器2和3的转速，其中，V_pitch^O ；
[0070]步骤S104、在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加垂直推进器1、2、3、4的转速，其中，V_depth彡O;
[0071]步骤S105、根据如下公式(I)?(4)，计算各垂直推进器的姿态输出值；
[0072]V_out I=V_hoveringl-V_roll-V_pitch+V_depth(I)；
[0073]V_out 2 = V_hovering2-V_roll+V_pitch+V_depth(2)；
[0074]V_out 3 = V_hovering3+V_roll+V_pitch+V_depth(3)；
[0075]V_out 4 = V_hovering4+V_roll-V_pitch+V_depth(4) o
[0076]以上公式(I)?(4)中横滚姿态控制参数V_roll前的正负号分别表示转速增加和转速减小，俯仰姿态控制参数V_pitch前面的正负号和深度控制参数￥_(^?丨11前面的正负号表不同样含义。
[0077]需要说明的是，以上举例只是为了更好地理解本发明提供的这种ROV姿态控制方法而给出的一种具体实施例，并不是对本发明实现方式的限定，上述中垂直推进器组中的垂直推进器可以为四个，也可以为六个或八个。
[0078]优选地，所述横滚姿态控制参数V_roll具体根据如下步骤得到:
[0079]获取ROV当前状态下的横滚角，并计算当前状态下的横滚角与目标横滚角之间的误差;
[0080]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的横滚姿态控制参数V_rol I。
[0081]优选地，所述俯仰姿态控制参数V_pitch具体根据如下步骤得到:
[0082]获取ROV当前状态下的俯仰角，并计算当前状态下的俯仰角与目标俯仰角之间的误差;
[0083]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的俯仰姿态控制参数V_pitch。
[0084]优选地，所述深度控制参数V_depth具体根据如下步骤得到:
[0085]获取ROV当前状态下的深度值，并计算当前状态下的深度值与目标深度值之间的误差;
[0086]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的深度控制参数V_depth。
[0087]优选地，所述ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体中轴线两侧，ROV本体两侧的垂直推进器数量相等。
[0088]需要说明的是，实现ROV横滚姿态、俯仰姿态和深度控制最少需要四个垂直推进器，参见图2中各垂直推进器的设置。如果要实现ROV更精细的姿态动作控制，可以设置六个或八个垂直推进器。
[0089 ] 优选地，所述ROV姿态控制方法，还包括:
[0090]获取ROV当前状态下的行进方向，并计算当前状态下的行进方向和目标行进方向之间的误差；其中，所述ROV本体上还设置有ROV水平推进器组，所述ROV水平推进器用于控制ROV的行进方向，所述ROV水平推进器组中各水平推进器对称设置在所述ROV本体的两侧；
[0091]将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各水平推进器的行进方向控制参数；
[0092 ]根据所述行进方向控制参数对各水平推进器的行进方向进行控制。
[0093]由上述技术方案可知，本发明提供的这种ROV姿态控制方法及系统，通过对称设置在ROV本体两侧的ROV水平推进器组，能实现ROV前进、后退和航向角的调节和控制。
[0094]优选地，所述ROV水平推进器组中的各水平推进器对称设置在ROV本体中轴线两侧，ROV本体两侧的水平推进器数量相等。
[0095]优选地，所述水平推进器组中共有两个水平推进器，所述两个水平推进器对称设置在ROV本体的尾部两侧。
[0096]需要说明的是，实现ROV前进、后退和航向角的调节和控制最少需要两个水平推进器，两个水平推进器既可以设置在ROV本体的首部，也可以设置在ROV本体的尾部(参见图2，由于图2中ROV首部设置有垂直推进器，故水平推进器设置在ROV尾部)ο如果要实现ROV更精细的姿态动作控制，可以设置四个或六个水平推进器。
[0097]参见图3，本发明还提供了一种ROV姿态控制系统100，包括:
[0098]获取单元101，用于获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速(V_hoveringl、V_hovering2......V_hoveringN)，其中，N为自然数，ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧；
[0099]横滚姿态控制单元102，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数乂_1011同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速，其中，V_ro 11彡O;
[0100]俯仰姿态控制单元103，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速，其中，V_pitch彡O;
[0101]深度控制单元104，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速，其中，V_depth^0 ；
[0102]姿态计算单元105，用于根据如下公式(I)?(N)，计算各垂直推进器的姿态输出值；
[0103]V_out I=V_hoveringl-V_roll-V_pitch+V_depth(I)；
[0104]V_out 2 = V_hovering2-V_roll+V_pitch+V_depth(2)；
[0105]……
[0106]V_out N=V_hoveringN+V_roll-V_pitch+V_depth(N) o
[0107]优选地，所述ROV姿态控制系统100，还包括:
[0108]误差计算单元106，用于获取ROV当前状态下的行进方向，并计算当前状态下的行进方向和目标行进方向之间的误差;其中，所述ROV本体上还设置有ROV水平推进器组，所述ROV水平推进器用于控制ROV的行进方向，所述ROV水平推进器组中各水平推进器对称设置在所述ROV本体的两侧；
[0109]参数计算单元107，用于将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各水平推进器的行进方向控制参数；
[0110]水平姿态控制单元108，用于根据所述行进方向控制参数对各水平推进器的行进方向进行控制。
[0111]本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
【主权项】
1.一种ROV姿态控制方法，其特征在于，包括: 获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速VJ1veringN，其中，I，n为自然数，ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧； 在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数V_roll同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速，其中，V_roll多O; 在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参数V_pitch同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速，其中，V_pitch^0; 在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速，其中，V_depth^0; 根据公SV_out N=V_hover ingN 土 V_ro 11 土 V_p i tch 土 V_depth，计算各垂直推进器的姿态输出值。2.根据权利要求1所述的RO V姿态控制方法，其特征在于，所述横滚姿态控制参数V _roll具体根据如下步骤得到: 获取ROV当前状态下的横滚角，并计算当前状态下的横滚角与目标横滚角之间的误差； 将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的横滚姿态控制参数V_roll。3.根据权利要求1所述的ROV姿态控制方法，其特征在于，所述俯仰姿态控制参数V_P itch具体根据如下步骤得到: 获取ROV当前状态下的俯仰角，并计算当前状态下的俯仰角与目标俯仰角之间的误差； 将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的俯仰姿态控制参数V_pitch。4.根据权利要求1所述的ROV姿态控制方法，其特征在于，所述深度控制参数V_depth具体根据如下步骤得到: 获取ROV当前状态下的深度值，并计算当前状态下的深度值与目标深度值之间的误差； 将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各垂直推进器的深度控制参数卩_(^?七11。5.根据权利要求1所述的ROV姿态控制方法，其特征在于，所述ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体中轴线两侧，ROV本体两侧的垂直推进器数量相等。6.根据权利要求1所述的ROV姿态控制方法，其特征在于，还包括: 获取ROV当前状态下的行进方向，并计算当前状态下的行进方向和目标行进方向之间的误差;其中，所述ROV本体上还设置有ROV水平推进器组，所述ROV水平推进器用于控制ROV的行进方向，所述ROV水平推进器组中各水平推进器对称设置在所述ROV本体的两侧； 将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各水平推进器的行进方向控制参数； 根据所述行进方向控制参数对各水平推进器的行进方向进行控制。7.根据权利要求6所述的ROV姿态控制方法，其特征在于，所述ROV水平推进器组中的各水平推进器对称设置在ROV本体中轴线两侧，ROV本体两侧的水平推进器数量相等。8.根据权利要求7所述的ROV姿态控制方法，其特征在于，所述水平推进器组中共有两个水平推进器，所述两个水平推进器对称设置在ROV本体的尾部两侧。9.一种ROV姿态控制系统，其特征在于，包括: 获取单元，用于获取ROV垂直推进器组中各垂直推进器保持水平姿态悬停时的转速乂_hoveringN，其中，I彡NSn，η为自然数，ROV垂直推进器组中的各垂直推进器对称设置在ROV本体的两侧； 横滚姿态控制单元，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据横滚姿态控制参数￥_抓11同幅度增加ROV本体一侧的垂直推进器的转速，同幅度减少ROV本体另一侧的垂直推进器的转速，其中，V_roll彡O; 俯仰姿态控制单元，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据俯仰姿态控制参同幅度增加ROV本体首部的垂直推进器的转速，同幅度减小ROV本体非首部的垂直推进器的转速，其中，V_pitch彡O; 深度控制单元，用于在各垂直推进器保持水平姿态悬停的基础上，根据深度控制参数V_depth同幅度增加各垂直推进器的转速或同幅度减小各垂直推进器的转速，其中，V_depth^O ； 姿态计算单元，用于根据公式 V_out N=V_hoveringN±V_roll ±V_pitch± V_depth，计算各垂直推进器的姿态输出值。10.根据权利要求9所述的ROV姿态控制系统，其特征在于，还包括: 误差计算单元，用于获取ROV当前状态下的行进方向，并计算当前状态下的行进方向和目标行进方向之间的误差；其中，所述ROV本体上还设置有ROV水平推进器组，所述ROV水平推进器用于控制ROV的行进方向，所述ROV水平推进器组中各水平推进器对称设置在所述ROV本体的两侧； 参数计算单元，用于将所述误差输入PID控制器，以使所述PID控制器采用增量式PID算法，得到当前状态下各水平推进器的行进方向控制参数； 水平姿态控制单元，用于根据所述行进方向控制参数对各水平推进器的行进方向进行控制。
【文档编号】G05D1/08GK105929841SQ201610507626
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】魏建仓
【申请人】天津深之蓝海洋设备科技有限公司