一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法及方法

摘要

一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法，属于水下机器人技术领域，本发明为了解决目前无法对深海作业型机器人推进器的误差进行推导和修正的问题。步骤一，理论分析，确定误差来源，建立全误差模型；步骤二，根据步骤一所述的全误差模型，建立水平姿态下的推进器安装角度误差模型；步骤三，根据步骤一所述的全误差模型，建立水平姿态下的推进器安装位置误差模型；步骤四，根据步骤一所述的全误差模型，建立非水平姿态误差模型；步骤五，进行水池实验；步骤六，误差模型修正，完成对推进器的误差及参数修正。本发明的一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法能实现对作业型ROV的全误差运动模型的建立，计算推进器的误差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种推进器的误差及参数修正方法，具体涉及一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法，属于水下机器人技术领域。

背景技术

作为一种重要的水下平台和工具，目前作业型水下机器人已经广泛的应用在海洋工程、救助打捞、海洋探索等领域。作业型水下机器人作为海洋资源开发和海洋环境观测的重要装备之一，其最大的特点就是能够在危险的深海区域完成高强度、大负荷、高精度的作业任务。它是一个国家实现深海资源开发不可或缺的重大技术装备之一。作为作业型水下机器人的重要动力源的推进器系统，是确定水下机器人运动性能和作业能力的一个十分重要的部分。因此研究和探索作业型水下机器人的推进器误差模型对作业型水下机器人的发展具有十分重要的意义。

“海马号”ROV项目是由国内多家ROV研发机构，结合自身优势，共同完成的，并于2014年成功进行海试。它能够在4500米深海域进行作业，能够完成海底定高、定向航行，同时在4500米深海域能够实现海底采样，海底摄影等，实现我国ROV作业深度的突破，“海马号”在深海作业时的安全性、适应性及平稳性等已经与国外类似潜水器处于同样的高水平，同时丰富了我国在该领域的研究案例，加速我国ROV事业的发展。

水下机器人在水下作业时会受到多种力的作用，研究这些力的作用规律是建立运动模型的重要基础，也是进行ROV控制的基础。建立统一ROV以及推进器的坐标系；为了更好的分析推力误差来源，对推进器进行数学建模；根据分析情况，分别对ROV主体水平姿态的推力、推力矩进行建模，并通过姿态变换的形式建立非水平姿态下的误差模型。

建立全误差模型需要对ROV的推力进行分析，推进系统是作业型ROV的动力核心,是ROV实现水下作业的保障。合理设计ROV的推进系统，能提高ROV在水下的作业效率，延长ROV在相同能源供应下的工作时间。因此，根据不同的水下作业任务设计最优化的推进系统在ROV应用领域十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法，以解决目前无法对深海作业型机器人推进器的误差进行推导和修正的问题。

所述一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法包括以下步骤：

步骤一，理论分析，确定误差来源，建立全误差模型；水下作业型ROV(水下潜水器)工作在深海时，根据其运动模式，它的运动姿态可以分为四种，分别是：水平姿态、纵倾姿态、横滚姿态、俯仰姿态，其中水平姿态是ROV工作的常规姿态，其他姿态为非水平姿态，常出现在ROV运动方向变换的过程中，同时，水平姿态可以看做其他运动姿态的特例，按照推进器的空间布局，将其分为四个水平推进器以及三个垂直推进器，根据右手螺旋法则依次确定各个推进器的坐标轴方向，在等效几何图形中定义：推进器T₁、T₂坐标系的x轴的正向指向ROV的艏向，推进器T₃、T₄坐标系的x轴的正向指向ROV的尾向，z轴与ROV主体坐标系的z轴同向，对应的y轴符合右手法则，水平姿态误差可以分为安装的角度误差和安装的位置误差；

步骤二，根据步骤一所述的全误差模型，建立水平姿态下的推进器安装角度误差模型；安装角度误差的模型推导是在水平姿态推力建模，得到对应的安装角度，再将求得的数值带入姿态变换矩阵中，并求得推进器在水平坐标系下的推力，再对推力进行建模，当ROV主体在水平姿态时，推进器作用于其上的推力产生的力矩，将结果转换为矩阵表达形式，将推力带入等式即可得到水平姿态下的力矩表达；

步骤三，根据步骤一所述的全误差模型，建立水平姿态下的推进器安装位置误差模型；安装位置误差是指推进器的实际位置由于安装或外界工作环境的长期作用，使其与设计的几何位置存在偏差，进而对推进系统的输出造成影响；

步骤四，根据步骤一所述的全误差模型，建立非水平姿态误差模型；当ROV主体处于非水平姿态时，可用三种姿态描述：横摇、纵倾、艏摇，其中艏摇也是一种水平姿态；

步骤五，进行水池实验；选取有效可用点，对参数进行标定，由于水平前进运动与后退运动的接触有效面积不同，因此在前进方向和后退方向，标定参数不同，对于横向运动，由于ROV设计时为对称结构，故标定参数一致；

步骤六，误差模型修正，完成对推进器的误差及参数修正；根据步骤五所获得的标定参数，与实际设计参数进行对比修正，对于非线性关系，在小范围内我们常采用局部线性化的方式处理，‘以直代曲’来简化处理过程，即通过在具体某点的一阶泰勒展开式表示两者在此附近的关系。同时由于曲线不非原点对称，得到的正负线性关系并不相同。

优选的：所述全误差模型包括7台液压驱动导管螺旋桨推进器，其中四台在水平面，三台在垂向面。

优选的：步骤二中的水平姿态推力建模为：

水平姿态推力建模α_i,β_i,γ_i(i＝1,2,…,7)是推进器T_i在空间中相对ROV主体坐标系的理论安装角度；Δα_i,Δβ_i,Δγ_i为对应推进器在相对应的位置的安装角度误差，采用旋转坐标变换的方式对推力误差进行建模，对推进器T₁,T₂,T₃,T₄建立的坐标系采用X-Y-Z第一类欧拉角变换的方式，

对于推进器T₂对应的安装角度有：

其中，α＝45°，

在ROV主体水平姿态下，推进器T₂在水平坐标系上的推力F₂^o′表示如下：

Ti(i＝1，2，…，7)，且T_i＝[T_ix>iy>iz]^T，T_ix、T_iy、T_iz代表推力在ROV主体坐标系各轴上的分力大小。

本发明与现有产品相比具有以下效果：实现对作业型ROV的全误差运动模型的建立，根据全误差模型推导的需求，建立相应的坐标系，并根据实际的水下作业型ROV项目，推导符合实际情况的推力误差模型。通过对推进器推力误差模型和系统进行理论分析，分析误差的来源，进而修正原有的运动控制模型，从而为控制系统，提高控制的精度和稳定性。保证深海作业型水下机器人具有绝对安全可靠的动力和作业系统。

附图说明

图1ROV全误差模型图；

图2是推进器T₂到ROV主体的姿态变换图；

图3是横滚姿态水平推进器状态图；

图4是横滚姿态垂直推进器状态图；

图5是横滚姿态垂直推进器状态后视图；

图6是纵倾姿态水平推进器状态图；

图7是纵倾姿态垂直推进器状态图；

图8是纵倾姿态垂直推进器状态后视图；

图9是推进器分布图；

图10推力数值误差与推力关系示意图。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

本发明所述的一种深海作业型机器人推进器的误差及参数修正方法，包括以下步骤：

步骤一，理论分析，确定误差来源，建立全误差模型；水下作业型ROV(水下潜水器)工作在深海时，根据其运动模式，它的运动姿态可以分为四种，分别是：水平姿态、纵倾姿态、横滚姿态、俯仰姿态，其中水平姿态是ROV工作的常规姿态，其他姿态为非水平姿态，常出现在ROV运动方向变换的过程中，同时，水平姿态可以看做其他运动姿态的特例，按照推进器的空间布局，将其分为四个水平推进器以及三个垂直推进器，根据右手螺旋法则依次确定各个推进器的坐标轴方向，在等效几何图形中定义：推进器T₁、T₂坐标系的x轴的正向指向ROV的艏向，推进器T₃、T₄坐标系的x轴的正向指向ROV的尾向，z轴与ROV主体坐标系的z轴同向，对应的y轴符合右手法则，水平姿态误差可以分为安装的角度误差和安装的位置误差；

步骤二，根据步骤一所述的全误差模型，建立水平姿态下的推进器安装角度误差模型；安装角度误差的模型推导是在水平姿态推力建模，得到对应的安装角度，再将求得的数值带入姿态变换矩阵中，并求得推进器在水平坐标系下的推力，再对推力进行建模，当ROV主体在水平姿态时，推进器作用于其上的推力产生的力矩，将结果转换为矩阵表达形式，将推力带入等式即可得到水平姿态下的力矩表达；

步骤三，根据步骤一所述的全误差模型，建立水平姿态下的推进器安装位置误差模型；安装位置误差是指推进器的实际位置由于安装或外界工作环境的长期作用，使其与设计的几何位置存在偏差，进而对推进系统的输出造成影响；

步骤四，根据步骤一所述的全误差模型，建立非水平姿态误差模型；当ROV主体处于非水平姿态时，可用三种姿态描述：横摇、纵倾、艏摇，其中艏摇也是一种水平姿态；

步骤五，进行水池实验；选取有效可用点，对参数进行标定，由于水平前进运动与后退运动的接触有效面积不同，因此在前进方向和后退方向，标定参数不同，对于横向运动，由于ROV设计时为对称结构，故标定参数一致；

步骤六，误差模型修正，完成对推进器的误差及参数修正；根据步骤五所获得的标定参数，与实际设计参数进行对比修正，对于非线性关系，在小范围内我们常采用局部线性化的方式处理，‘以直代曲’来简化处理过程，即通过在具体某点的一阶泰勒展开式表示两者在此附近的关系。同时由于曲线不非原点对称，得到的正负线性关系并不相同。

进一步：所述全误差模型包括7台液压驱动导管螺旋桨推进器，其中四台在水平面，三台在垂向面。

进一步：步骤二中的水平姿态推力建模为：

水平姿态推力建模,假设α_i,β_i,γ_i(i＝1,2,…,7)是推进器T_i在空间中相对ROV主体坐标系的理论安装角度，Δα_i,Δβ_i,Δγ_i为对应推进器在相对应的位置的安装角度误差，采用旋转坐标变换的方式对推力误差进行建模，对推进器T₁,T₂,T₃,T₄建立的坐标系采用X-Y-Z第一类欧拉角变换的方式，求出推进器到ROV主体坐标系的姿态变换是：

以推进器T₂为例，其姿态变换矩阵为：

由推进器T₂的布置，得出对应的安装角度为：

其中，α＝45°，

由此得到，在ROV主体水平姿态下，推进器T₂在水平坐标系上的推力表示如下：

T_i(i＝1,2,…,7)，且T_i＝[T_ix>iy>iz]^T，T_ix、T_iy、T_iz代表推力在ROV主体坐标系各轴上的分力大小；

同理，可以得到其他三个水平推进器和三个垂直推进器。

当ROV主体在水平姿态时，推进器T_i作用于其上的推力产生的力矩表示为：

其中，[x_i>i>i]^T，由ROV主体坐标系原点到推进器中轴作垂线产生的交点在主体坐标系中的坐标表示。p_i＝[x_i>i>i]^T，为推进器T_i(i＝1,2,…,7)坐标系原点在ROV本体坐标系中的坐标向量表示形式；推进器产生的合力矩。

将结果转换为矩阵表达形式为：

进一步：水平姿态下的安装位置误差模型推导：

所谓安装位置误差是指推进器的实际位置由于安装或外界工作环境的长期作用，使得其与设计的几何位置存在偏差，进而对推进系统的输出造成影响。

由推导水平姿态下的推力过程知道，推力与安装位置无关，因此安装位置误差对其无影响，故表达形式不变。而对推力力矩的影响体现在矢径p_i上，定义Δx_i、Δy_i、Δz_i为矢径误差，则：

p_i＝[x_i+Δx_i>i+Δy_i>i+Δz_i]^T

推力矩为：

进一步：非水平姿态下误差模型推导：结合附图3所示，分别是横滚姿态水平推进器状态，横滚姿态垂直推进器状态和纵倾姿态垂直推进器状态和纵倾姿态垂直推进器状态。

由于艏向角设为0，将姿态矩阵简化为：

非水平姿态下的推力为：

而其他推进器的推力求解方法相同，

非水平姿态下的推力矩的误差模型求解与上述过程相同，在的基础上进行一次姿态变换，即左乘就可以得到推力矩在水平坐标系O下的表述

则对水平推进器有：

其他推进器力矩求解方法相同。

进一步：误差模型修正：对于非线性关系，在小范围内我们常采用局部线性化的方式处理，‘以直代曲’来简化处理过程，即通过在具体某点的一阶泰勒展开式表示两者在此附近的关系。同时由于曲线不非原点对称，得到的正负线性关系并不相同，推力数值误差与推力关系示意图如图5，具体关系表述如下：

其中，推进器产生的推力的数值误差ΔT，在坐标轴正半轴为ΔT₊，负半轴为ΔT_-，k⁺，k^-分别代表斜率，b⁺，b^-代表截距。

水平推进器T₁推力简化表达式为:

由于参数耦合在一起，所以为了简化模型采用新的参数代替，令：

则推力表达式为：

垂直推进器推力简化与水平推进器简化方式相同

合力矩简化,接讨论非水平姿态，根据变换:合力矩的表示形式为：

进一步：参数标定

在上述模型简化的基础上，根据实际所能测得的验证数据仅有轴向速度，进行了如下分析：

1)ROV的水下平面运动受到水的阻力，且水阻力与运动速度有关；

2)运动方向的有效面积影响阻力大小；

3)在匀速状态下，加速度为零，测得的轴向速度与轴向推力成正比；

4)按照最优推力分配，ROV确定速度下各个推进器的输出推力是确定值。

根据上述分析过程能够得到实际数据与单独推进器的对应关系为：

v＝k_iT_i+b_i

其中，v代表得到的实际推力，T_i单独推力器的推力，T_i,b_i代表其对应的参数。

由于水平前进运动与后退运动的接触有效面积不同，因此在前进方向和后退方向，标定参数不同。对于横向运动，由于ROV设计时为对称结构，故标定参数一致。

为了对参数进行标定，需要进行水池实验，并选取有效可用点，对所得水池数据取均值后列在表1，如下

表1不同运动模式下的推进器推力平均数值

由于对每个推进器一种模式下仅有两个参数需要标定，对数据组中超三个的数据，采用最小二乘法进行处理，处理后得到的标定参数如表2所示：

表2水平推进器参数标定

对垂直推进器的标定过程与此过程相同。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。