一种仿生水下滑翔机器人控制系统及控制方法与流程

本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种仿生水下滑翔机器人及其控制系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

随着人们对海洋的探索范围越来越广，对海洋开发的需求越来越强，水下探测机器人成为全世界研究的对象。水下探测机器人又分为有缆水下机器人和无缆水下机器人，虽然有缆机器人能根据运动方式不同而分为摇曳试，海底移动式和浮游试，但是有缆机器人都是遥控试的。且由于缆线的长度有限，只能在限定的范围内进行探测，如果缆线过长也会出现打结的现象。而无缆水下机器人能够依靠本身的自主决策和控制能力，更高效的完成任务。水下滑翔机作为一种无缆机器具有人阻力小，航速较高，制造维修成本低，续航时间长和探索范围广等特点。

综上所述，现有技术存在的问题及解决上述问题的难度和意义：

(1)我们用3d建模来打印滑翔机的外壳，但是由于机体过长，不能完整的打出每一个部分，只能将较长的外壳再进行分解打印。正因为外壳的部件增多，连接的截面就越多，渗水的可能性就更大。为了保持机体的密封性，我们会在机体内外的连接处粘上防水胶布，也会为机体内部零件打印出各自的密封仓。

(2)水下滑翔是以锯齿形状向前运动，如若变轨则需机身倾斜,但是变轨半径很大，不能快速躲避障碍物。所以我们将变轨机构转移到了艉部，我们也利用3d建模技术打印出了类似鱼尾的变轨装置。可以通过舵机的控制来进行左右摆动。

水下滑翔机的密封性是非常重要的，如果密封良好就是对机体内各电子设备的良好保障，也减小了电子受损的可能性。对于变轨的改装之后，滑翔机在海洋航行的过程中更加灵敏。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种仿生水下滑翔机器人及其控制系统。

本发明是这样实现的，一种仿生水下滑翔机器人控制系统，所述仿生水下滑翔机器人控制系统包括：

水面控制系统，用于控制仿生水下滑翔机器人运动状态；

手柄式操控杆，用于控制控制仿生水下滑翔机器人运动速度和角速度；

短基线定位系统，将定位图和声纳探测到的图像实时地反馈在控制台的显示屏上；

控制台，用于显示仿生水下滑翔机器人的定位，声呐图，仿生水下滑翔机器人的机体状态。

机器人位姿信息采集系统，用于得到仿生水下滑翔机器人的潜水姿态、深度、及距河床高度。

进一步，所述控制台包括主控台显示器和笔记本电脑显示器；主控台显示器用于短基线/gps仿生水下滑翔机器人定位信息显示以及仿生水下滑翔机器人的机体姿态显示并进行保存；声呐图的声纳探测信息用笔记本电脑显示和存储。

进一步，水面控制系统包括上位机、下位机均采用工控机；上位机、下位机均通过信号连接控制台、手柄式操控杆、短基线定位系统、机器人位姿信息采集系统。

进一步，所述仿生水下滑翔机器人控制系统进一步包括：

控制箱，在路地上控制仿生水下滑翔机；

放置在仿生水下滑翔机艏部的纳稳压电源，为步进电机提供电流；

安装在电子仓连接开发板的姿态和温湿度传感器以及深度、高度传感器接口；

集成在姿态仓前半部置的步进电机；

姿态仓后半部搁置的水泵、气囊

及姿态仓前后的姿态盖；

姿态盖两端面用螺栓连接姿态盖密封，密封面开有密封槽，装有橡胶密封圈；端面浇铸有加强筋；

深度、高度传感器接口连接有压力传感器，通过测量水压，将电流量转化为电压量，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，推知潜水器的潜水深度；

深度、高度传感器接口还连接有三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计mems传感器；通过信息融合解算，得到仿生水下滑翔机器人的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度；由rs232输出信息到控制台。

深度、高度传感器接口还连接有高度计，用于探测水底河床和杂物碰撞与仿生水下滑翔机器人的距离。

本发明的另一目的在于提供一种仿生水下滑翔机器人，所述仿生水下滑翔机器人至少搭载所述的仿生水下滑翔机器人控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述仿生水下滑翔机器人控制系统的仿生水下滑翔机器人控制方法，所述仿生水下滑翔机器人控制方法包括：

机器的运动控制和姿态控制；

(1)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人保持艏朝下艉朝上姿态:

(2)通过浮力调节机构减少载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在负浮力状态。水下滑翔机器人在负浮力作用下开始下潜运动，并最终达到下潜定常滑翔运动状态；

(3)当到达预定深度时，通过浮力调节机构增大载体排水体积达到中性状态,水下滑翔机器人开始减速下潜，并最终停止运动；

(4)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝上艉朝下；

(5)通过浮力调节机构增大载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在正浮力状态。水下滑翔机器人在正浮力作用下开始上浮运动，并最终达到上浮定常翔运动状态；

(6)通过变轨调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝左艉朝右或艏朝右艉朝左；

(7)当水下滑翔机器开始上浮运动到达水面后就完成一一个周期的滑翔运动。

声纳控制；

声纳系统是由发射机、水听器、接收机、显示器和控制器等几个部件组成。发射机用于产生电信号，换能器则将电信号转变为声信号向水中发射，水声信号若遇到目标就会被反射，然后以反射形式返回到水听器,水听器接收后又将其转换为电信号，接收机接收到电信号后，进行各方位处理，再将处理结果反应至控制器或显示器，最后根据这些处理过的信息探测出目标的位置。声呐系统安置在机体最前方。

水下液体取样器控制。

液体取样机的底部有取样孔，取样机体内安装具有活动塞坐的活动把手，用舵机连接活动把手，当到达取样地点，启动舵机，活动把手离开取样机底部样水进入取样机，活动把手再次移动到底部，取样完成。

本发明的另一目的在于提供一种计算机程序，所述计算机程序运行权利要求6所述仿生水下滑翔机器人控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端实现所述仿生水下滑翔机器人控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的仿生水下滑翔机器人控制方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

最优解的质量就最优解的质量，现代智能算法相比于传统的分支定界法要质量好，ga整数规划法相对于分支定界法使目标函数提高了15.3％；本专利算法相对于分支定界法使目标函数提高了29.3％。分析其原因是因为该目标函数非线性，存在多个局部最优点，传统的分支定界法无法获得全局最优，所以整体质量较差，但是传统的分支定界法具有程序简单，运算快速等优点。

收敛速及分别对比2种现代智能算法的收敛速度效果。

从图中可以看本发明控制方法在迭代次数为70次左右基本稳定，而遗传算法在迭代了30次之后基本趋于稳定。本专利算法增加了复杂度，收敛速度有所降低，但得到的最优解质量较高，适用于解决minlp问题。

本发明的机器人位姿信息采集系统，为了得到潜水器的潜水姿态、深度、及距河(海)床高度，设计了基于c8051f310的潜水器位姿信息采集板。

采用ns-f压力传感器测量水压，传感器的输出为4－20ma的电流量，通过一个精密电阻和运放芯片opa2364搭建的i/u转换电路，可以将电流量转化为电压量，实现－5v输出，再通过a/d转换芯片，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，即可推知潜水器的潜水深度。可实现水深的实时测量。

采用micro-strain公司的姿态测量单元3dm—gx1，该单元通过三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计等mems传感器，通过信息融合解算，可得到潜水器的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度，由rs232输出信息，为了确定rov相对于河床的高度，本水下机器人设计了高度计，可以有效避免与水底河床和杂物碰撞，以保证潜水器安全工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的仿生水下滑翔机器人控制系统示意图。

图中：1、水面控制系统；2、手柄式操控杆；3、短基线定位系统；4、控制台；5、机器人位姿信息采集系统。

图2是本发明实施例提供的支撑架示意图。

图3是本发明实施例提供的姿态盖示意图。

图4是本发明实施例提供的姿态仓示意图。

图5是本发明实施例提供的在鱼艉首端连接舵机实行鱼艉左右摇摆运动图；

图中：a、艉骨；b、鱼濮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1，本发明实施例提供的仿生水下滑翔机器人控制系统，包括：

水面控制系统1，用于控制仿生水下滑翔机器人运动状态；

手柄式操控杆2，用于控制控制仿生水下滑翔机器人运动速度和角速度；

短基线定位系统3，将定位图和声纳探测到的图像实时地反馈在控制台的显示屏上；

控制台4，用于显示仿生水下滑翔机器人的定位，声呐图，仿生水下滑翔机器人的机体状态。

机器人位姿信息采集系统5，用于得到仿生水下滑翔机器人的潜水姿态、深度、及距河床高度。

所述控制台包括主控台显示器和笔记本电脑显示器；主控台显示器用于短基线/gps仿生水下滑翔机器人定位信息显示以及仿生水下滑翔机器人的机体姿态显示并进行保存；声呐图的声纳探测信息用笔记本电脑显示和存储。

水面控制系统包括上位机、下位机均采用工控机；上位机、下位机均通过信号连接控制台、手柄式操控杆、短基线定位系统、机器人位姿信息采集系统。

所述仿生水下滑翔机器人控制系统进一步包括：

控制箱，在路地上控制滑翔机；

放置在滑翔机艏部的纳稳压电源为步进电机提供电流；

安装在电子仓连接开发板的姿态和温湿度传感器以及深度、高度传感器接口；

集成在姿态仓前半部置的步进电机；

姿态仓后半部搁置的水泵、气囊

及姿态仓前后的姿态盖；

姿态盖两端面用螺栓连接姿态盖密封，密封面开有密封槽，装有橡胶密封圈；端面浇铸有加强筋；

深度、高度传感器接口连接有压力传感器，通过测量水压，将电流量转化为电压量，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，推知潜水器的潜水深度；

深度、高度传感器接口还连接有三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计mems传感器；通过信息融合解算，得到仿生水下滑翔机器人的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度；由rs232输出信息到控制台。

深度、高度传感器接口还连接有高度计，用于探测水底河床和杂物碰撞与仿生水下滑翔机器人的距离。

本发明实施例提供的仿生水下滑翔机器人控制方法，包括：

机器的运动控制和姿态控制；

(1)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人保持艏朝下艉朝上姿态:

(2)通过浮力调节机构减少载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在负浮力状态。水下滑翔机器人在负浮力作用下开始下潜运动，并最终达到下潜定常滑翔运动状态；

(3)当到达预定深度时，通过浮力调节机构增大载体排水体积达到中性状态,水下滑翔机器人开始减速下潜，并最终停止运动；

(4)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝上艉朝下；

(5)通过浮力调节机构增大载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在正浮力状态。水下滑翔机器人在正浮力作用下开始上浮运动，并最终达到上浮定常翔运动状态；

(6)通过变轨调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝左艉朝右或艏朝右艉朝左；

(7)当水下滑翔机器开始上浮运动到达水面后就完成一一个周期的滑翔运动。

声纳控制；

声纳系统是由发射机、水听器、接收机、显示器和控制器等几个部件组成。发射机用于产生电信号，换能器则将电信号转变为声信号向水中发射，水声信号若遇到目标就会被反射，然后以反射形式返回到水听器,水听器接收后又将其转换为电信号，接收机接收到电信号后，进行各方位处理，再将处理结果反应至控制器或显示器，最后根据这些处理过的信息探测出目标的位置。声呐系统安置在机体最前方。

水下液体取样器控制。

液体取样机的底部有取样孔，取样机体内安装具有活动塞坐的活动把手，用舵机连接活动把手，当到达取样地点，启动舵机，活动把手离开取样机底部样水进入取样机，活动把手再次移动到底部，取样完成。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的仿生水下滑翔机器人控制系统包括：水面控制系统，水下控制系统水面控制系统包括上位机，下位机。上位机采用工控机，装在操纵箱中，设计两个玩具手柄式操控杆，并可以控制运动速度和角速度。操控手柄由操控人员握在手中，水下滑翔机的一切活动都由操控手柄控制。短基线定位系统定位图和声纳探测到的图像则实时地反馈在两个显示屏上，硬件平台主要集中在电脑上，以用来显示水下机器人的定位，声呐图，机体状态。控制台有两个显示器，主控台显示器用于短基线/gps定位信息显示以及姿态显示并进行保存，声纳探测信息分别用笔记本电脑显示和存储。除了机器的运动控制和姿态控制，控制项目还包括：平台俯仰和偏转控制；声纳控制；水下液体取样器控制。

水面控制系统姿态传感器及电力电源水下分配设备等等需要装置在密闭容器中，设计了控制箱，容纳稳压电源，姿态和温湿度传感器，推进器调速器、电光转换板，以及深度、高度传感器接口等，根据设计工作水深和容纳设备尺寸、重量，合布置、固定安装。壳体采用厚度3mm的abs胶板制造，内设安装架如图2和加强筋，前置步进电机，后置水泵，气囊。两端面用螺栓连接姿态盖密封，如图3所示。密封面开有密封槽，装有橡胶密封圈。为加强端面强度，端面也设计有加强筋。姿态仓整体图如图4。

下面结合工作原理对本发明作进一步描述。

水下滑翔机驱动及运动原理：

水下滑翔机在载体浮力以及滑翔翼的作用下，产生向前的水平滑翔速度。水下滑翔机重心调节系统是通过调整载体内部的质量分布，从而改变载体重心与浮心的相对位置，以产生横滚力矩和俯仰力矩，实现载体回转和俯仰运动。

在航行过程中，水下滑翔机通过重心调节系统对其姿态和运动轨迹进行控制，实现垂直剖面内的锯齿形运动。在水下滑翔机_上浮下潜的过程中，只在其锯齿形航迹的最高点和最低点调节重力和浮力的关系，中间航程完全实现了无动力调节，定常回转运动中，保持重心的侧向偏移量不变，中间过程无需调节。因此，针对深海大范围的探测，水下滑翔机较其他形式的水下航行器具有较大的能源优势。

重心位置调节原理：

水下滑翔机通过改变重心相对浮心的位置，实现姿态的调节和控制根据实际需要，水下滑翔机可以有两种方式实现滑翔。第一种是通过吸入或排出外部液体，改变自身的重量，产生下沉或上浮的动力，同时相应改变载体重心在纵向上的位置，形成一定的攻角，再利用水平翼把该垂向力转化为前行的动力，从而实现纵向滑翔；第二种是通过液压系统将液体从外皮囊内压入密封的滑翔器壳体内部或从密封的滑翔器壳体内部压入外皮囊内，改变自身的体积，产生下沉或上浮的动力，同时调节载体重心，实现纵向滑翔。

工作流程

在水池中实验时，首先要向腔内灌水，通过排气孔向腔外排水，灌水完毕，将排气孔堵上，此时由于重力大于浮力，水下滑翔机开始向下滑行；当滑行到一定深度时，压力传感器的电压信号达到某一设定值，控制电路驱动水泵向外排水，腔内水被排尽后，重力小于浮力，水下滑行机改变俯仰角,开始向上滑行；当滑行到某一深度时，压力传感器的电压信号达到某-设定值，控制电路驱动电磁阀，打开阀门，由于此时腔内的压强为负压，水被压入腔内，回到初始状态，再向下滑行这样，水下滑翔机就实现了沿纵剖面滑翔的功能通过遥控器发出回转指令，控电路就会启动步进电机，使作为侧向调节质量块的电池组产生偏转，水下滑翔机就会以一定攻角产生转动。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

滑翔运动分析：

水下滑翔机器人航行过程中，主要是沿锯齿形轨迹作周期性的滑翔运动.

水下滑翔机器人完成一个周期滑翔运动的过程为:

(1)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人保持艏朝下艉朝上姿态:

(2)通过浮力调节机构减少载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在负浮力状态。水下滑翔机器人在负浮力作用下开始下潜运动，并最终达到下潜定常滑翔运动状态；

(3)当到达预定深度时，通过浮力调节机构增大载体排水体积达到中性状态,水下滑翔机器人开始减速下潜，并最终停止运动；

(4)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝上艉朝下；

(5)通过浮力调节机构增大载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在正浮力状态。水下滑翔机器人在正浮力作用下开始上浮运动，并最终达到上浮定常翔运动状态；

(6)通过变轨调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝左艉朝右或艏朝右艉朝左；

(7)当水下滑翔机器开始上浮运动到达水面后就完成一一个周期的滑翔运动。

机器人位姿信息采集系统为了得到潜水器的潜水姿态、深度、及距河(海)床高度，设计了基于c8051f310的潜水器位姿信息采集板。

艉部设计为鱼尾形状，由艉骨，濮组成。在鱼艉首端连接舵机实行鱼艉左右摇摆运动如图5所示。图中：a、艉骨；b、鱼濮。

采用ns-f压力传感器测量水压，传感器的输出为4－20ma的电流量，通过一个精密电阻和运放芯片opa2364搭建的i/u转换电路，可以将电流量转化为电压量，实现－5v输出，再通过a/d转换芯片，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，即可推知潜水器的潜水深度。可实现水深的实时测量。

采用micro-strain公司的姿态测量单元3dm—gx1，该单元通过三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计等mems传感器，通过信息融合解算，可得到潜水器的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度，由rs232输出信息，为了确定rov相对于河床的高度，本水下机器人设计了高度计，可以有效避免与水底河床和杂物碰撞，以保证潜水器安全工作。

首先，依次连接各组件，随后打开电源箱开关；然后，操作水面站软件界面，建立can通信，给开发板接通动电力，打开开发板运行使能开关，测试步进电机，舵机是否全部运行正常，检查各传感器是否接收数据正常；最后，将水下滑翔机本体放入水中，切换至闭环控制模式，操作手柄便可开动滑翔机。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。