专利一种水声全驱动式水下机器人控制器结构及控制方法

说明书摘要本发明涉及一种水声全驱动式水下机器人的分布控制器结构及滞后补偿的实时控制方法，该水声全驱动式机器人的分布式控制器包括：岸边控制器（控制器1）和水下控制器（控制器2）；二者通过水声通信模块进行通信；设计一种控制器之间通信时滞补偿方法和通信协议，通过计算通信时延并利用计算得到的时滞进行控制律的设计，能有效防止控制指令滞后的现象，提高控制的实时性。控制器1和控制器2都设有电压转换和稳压模块（电压转换和稳压模块1、2），其中电压转换和稳压模块1将岸边220VAC电源转化为控制器1电路板需要的5VDC工作电压岸边控制器可通过自带的24VDC锂电池进行供电，220VAC和24VDC供电通过切换开关进行切换供电；电压转换和稳压模块2将锂电池电压转换和稳压为水下电机和控制器2所需的工作电压。控制器1实时采集岸边控制器控制面板的遥控控制指令，并将控制指令按照自定义的通信协议进行编码和组装成帧，经由通信模块发送到水下控制器2；水下控制器2接收岸边控制器1发送的协议帧，并进行协议解码，按照协议格式解析出控制指令，然后计算水声通信时间滞后，并结合机器人的实时运动姿态进行控制补偿，得出实时的控制量，进而控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，驱动推进电机进行工作，从而实现对水下机器人运动和姿态的控制。本发明通过水声通信方式实现机器人两个控制器之间的通信，通过时延补偿控制方法的设计保证控制的时效性，水下通信距离可达

2000米，能够实现水下机器人的大范围、高精度运动和姿态控制。摘要附图电源信号电压转换与I-- ~ ■•…-稳压电路2II日I P岸边控制器 | | 水下控制器I一一一一 ________I水声全驱动式水下机器人分布式控制结构权利要求书一种水声全驱动式控制机器人控制器结构及控制方法，包括控制硬件结构、基于自定义控制协议的控制方法。控制硬件包含置于岸边控制箱内的控制器1和置于水下机器人仪器舱内的控制器2两部分，二者通过水声modem进行通信。控制器2按照自定义的协议格式解析出控制器1发送的控制指令，进行推进器控制。根据权利要求1所述的控制器1实时采集岸边控制器控制面板的遥控控制指令，并将控制指令按照自定义的通信协议进行编码和组装成帧，经由水声通信模块发送到水下控制器2；根据权利要求1所述的控制器2实时接收岸边控制器1发送的协议帧，并进行协议解码，按照协议格式解析出控制指令，进而控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，继而驱动推进电机进行工作，从而实现对水下机器人运动姿态的控制；根据权利要求1所述的水声通信传输设备，用于水下机器人控制器和岸边控制器间的相互通信，主要由RS485通信模块和水声modem组成。根据权利要求1所述的控制器2还包括继电器驱动器模块，其接收控制器2解析的控制指令，控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，从而驱动相应位置的推进电机工作。继电器驱动器模块，由推进电机2倍数量的继电器和保护电路组成，完成对相应电机的正反转控制。针对全驱动机器人的6自由度控制，设计一种自定义的通信协议，该协议由帧头、控制命令字、发送时间和CRC检测字节组成。控制器2按照协议格式解析出控制器1发送的速度控制指令。协议帧头和发送时间均由1个字节组成。控制命令字由1个字节组成，其相应低4位数据位(从右至左)分别代表左侧水平推进其、右侧水平推进器、左侧垂直推进器和右侧垂直推进器，高4为保留，默认为全0。发送时间记录该数据帧的发送时刻，通过接收该数据帧的接收时刻进行比较，得出水声通信时延，通过对该滞后时间进行时间补偿，得到实时的速度控制命令u(k-T1)=(x(k+1)-x(k))/T2，其中x(k)=[xx(k),xy(k),xz(k)]T表示k时刻机器人在X、Y、Z三个方向的运动状态，L为计算得到的通信时延，T2为速度控制量的持续作用时间，u(k-T1)^k-T1时刻的速度控制量，为x、y、z三个方向的推进速度，可以通过推进力实验推进电机的推进合力和推进速度之间的对应关系进行确定，实时速度通过机器人携带的多普勒测速仪获得，从而可以得到k+1时刻的机器人的运动状态x(k+1)=x(k)+u(k-T1)T2这样就可以实现机器人的高精度运动状态控制。循环冗余检测(CRC)由2个字节组成，控制器2通过CRC检测算法计算出检测位的值，并与接收到的CRC值进行对比，完成对数据帧的差错检测，出现错误则丢弃该数据包。说明书一种水声全驱动式水下机器人的分布控制器结构及控制方法技术领域涉及一种全驱动式水声通信方式的水下机器人控制方法，属于水下机器人控制领域。背景技术水下机器人控制器一般采用集中控制方式，仅在水下机器人仪器舱内设有一个控制器，通过多芯脐带电缆将岸上的控制命令发送到水下控制器进行采集，摇杆状态与电缆的芯数相对应，这样会增加脐带电缆的重量，对水下机器人的姿态控制带来了外界不利影响。另一方面，供电方式多采用岸边220VAC电源直接供电方式，通过脐带电缆为水下机器人供电，水下机器人仪器舱内设有电压转换模块；但由于交流电会对通信质量带来影响，使通信误码率较高，水下推进器出现误动作的几率较高，采用485通信和光缆的有缆控制方式，虽然传输较远，但传输距离收到脐带电缆长度和重量的限制，传输距离有限。另外，若岸边直接转换为水下机器人驱动电机所需的24VDC工作电压，则电压在传输过程中由于电容效应会出现压降，达不到水下电机的正常工作电压。本专利，岸边控制器电源为220VAC和24VDC锂电池双供电，通过开关进行切换，并通过AC-DC和DC-DC稳压模块进行输出；水下机器人仪器舱内的控制器为24VDC锂电池供电，通过稳压模块进行稳压输出。为此，本发明旨在针对水下大范围使用的水声遥控式机器人控制，提供一种分布式的水声遥控机器人控制方法，通过时间戳计算通信时延，并通过时间补偿方法计算补偿后的控制律进行机器人的实时控制。发明内容设计一种水声通信的水下机器人控制方法，水下控制器1在数据帧的发送时间字段记录该数据帧的发送时刻，水下控制器2接收该数据帧时，记录接收时刻，两者时间相减，得出水声通信滞后时间，并对该滞后时间带入到速度控制算法中进行时间补偿，得到实时的控制命令，有利于机器人的高精度运动控制，该方法可用于远距离、无缆实时遥控水下机器人，实现水下机器人运动的6自由度精确控制。所述水下遥控机器人控制硬件包括置于岸边控制箱内的控制器1和置于水下机器人仪器舱内的控制器2两部分，如图1所示。控制器1，如图2所示，实时采集岸边控制器控制面板的遥控控制指令，并将控制指令按照自定义的通信协议进行编码和组装成帧，经由水声modem通信模块发送到水下控制器2；控制器2,如图2所示，实时接收岸边控制器1发送的协议帧，并进行协议解码，按照协议格式解析出控制指令，进而控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，继而驱动推进电机进行工作，从而实现对水下机器人运动的控制;该控制器1和控制器2还包括有串口通信模块和水声收发模块，所述的串口通信模块主要由串口通信芯片MAX485构成，水声收发模块由水声modem组成。用于控制器1和控制器2间的相互通信。所述的电压转换和稳压模块1单元包含：电压转换和稳压电路，用于将岸上电源进行AC-DC电压转换和低压差线性稳压的两级电压转换，从而为电路提供稳定的工作电压；电压转换和稳压模块2,用于将锂电池电压转换为水下机器人所需工作电压，为控制器2和机器人驱动电机提供必需的工作电压。所述水下机器人控制器之间的通信协议，如图4所示，其特征在于其采用一种自定义的通信协议帧，控制器2按照协议格式解析出控制器1发送的控制指令。协议帧头和帧尾均由1个字节组成。控制命令字由1个字节组成，其相应低4位数据位（从右至左）分别代表左侧水平推进其、右侧水平推进器、左侧垂直推进器和右侧垂直推进器，高4为保留，默认为全0。循环冗余检测（CRC）也由1个字节组成，控制器2通过CRC检测算法计算出检测位的值，并与接收到的CRC值进行对比，完成对数据帧的差错检测，出现错误则丢弃该数据包。附图说明图1是提出的水声全驱动水下机器人分布式控制器结构图；图2是提出的岸边控制器（控制器1）结构图；图3是提出的水下控制器（控制器2）结构图。图4是提出的自定义通信协议格式。具体实施方式分布式控制器结构如图1所示。控制器1和控制器2的电路工作电压为5VDC。工作电压由电压转换和稳压模块1、2分别提供。电压模块单元通过稳压电路的两级稳压，分别为AC-DC电压转换和低压差线性稳压的电压转换，为装置提供稳定的工作电压。控制器1接收操作指令并通过控制器2控制着整个机器人的工作状态，采用低功耗的单片机AVRMega16为控制芯片。在装置上电时，控制器1首先检测其他各个单元的状态，然后启动通信模块，与控制器2进行通信连接。控制器1按一定时间间隔采集单片机AVRMega16端口的遥控柄开关状态数据，并按照自定义的协议帧格式，如图4所示，进行打包组装成帧，然后通过485通信模块和水声modem发送到控制器2。本发明提供一种采用自定义通信协议实现分布式控制的控制方法。具体为：控制器2实时接收控制器1发送的协议帧，并进行协议解码，按照自定义的协议格式的相应位解析出控制指令，使用状态观测器检测机器人的实时运动姿态，并结合收到的控制命令，对控制量进行一定的补偿，获得最新的补偿后的控制量，进而利用该控制量控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作，从而实现对水下机器人的前进、后退、上升、下潜、左右旋转等运动控制。例如，控制器2接收到控制命令字为******XX，只需检测最后两位的状态，如果后两位全为1，则为前进指令；如果后两位全为0，则为后退指令；******10则为左旋指令，******01则为右旋指令。接收到上升和下沉指令时，控制命令字为****乂乂**，只需检测第3和第