【CN109814581A】ROV水下机器人自动定深运动控制方法【专利】

式中，u(n)表示第n个采样周期PID控制器输出量， e(n)表示第n个采样周期控制量偏差， Ti表示积分时间常数， Td表示微分时间常数， T表示采样周期， 其相应的增量表达式为 Δu(n)＝u(n)-u(n-1)
＝KP{e(n)-e(n-1)+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n+1)]}。 2 .根据权利要求1所述的ROV水下机器人自动定深运动控制方法，其特征在于，所述第 二步中，a＝0 .1，b＝0 .05，c＝0 .1。
Kp＝Kp0+a·ΔKp KI＝KI0+b·ΔKI KD＝KD0+c·ΔKD
(5) (6) (7)
公式(5)、(6)、(7)中，KP0 ,KI0 ,KD0为初始值，a、b、c为参数调整因子；
第三步，PID控制过程，根据采样数据与期望值进行比较获得偏差e(n) ，对偏差进行PID
运算从而调节推进器的电机两端电压，进而控制电机转速；
动控 制方法 ，其解决 了现有三推进器ROV自 动定 深控制算法复杂，不易实现，ROV自动定深运动过 程稳定性差，抵抗水下浪涌干扰能力差的技术问 题 ，其采用双闭环模糊PID控制器 ，内环为倾角 环，控制垂直推进器工作使ROV的俯角达到要求， 外环为深度环 ，控 制水平推进器工作。本发明可 广泛应用于水下机器人技术领域。
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说 明 书
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ROV水下机器人自动定深运动控制方法
技术领域 [0001] 本发明涉及水下机器人技术领域，具体而言，涉及一种ROV水下机器人自动定深运 动控制方法。
背景技术 [0002] 在陆地资源被大量开发以至短缺的今天，深入开发海洋资源刻不容缓。地球是唯 一已 知存在固体 、液体 和气体三 种状态水的 行星 ，它也是目 前唯 一已 知地表有液态水存在 的行星。全球97％的供水来源于海洋。水对于维持生命至关重要，水与人类生存的方方面面 都息息相关。海洋覆盖地球表面的70 .8％，远远超过地球的陆地面积。在海洋覆盖范围内， 大西洋占16 .2％，太平洋占2 .4％，印度洋占14 .4％，边缘和邻近地区占7 .8％。值得注意的 是，仅太平洋的覆盖面积就比所有的陆地面积多3 .2％。 [0003] 我国陆地国土有大部分处于西部大高原区域，生态环境脆弱，有效国土面积较小， 开发成本高 ，需要以 海补陆。因此 ，提高海洋资源开发能 力 ，对我国的发展至关重要。为了开 发海洋资源，我们应该不断地了解、勘测海洋，探索开发海洋的方法，研制可用的设备。而水 下机器人因其灵活机动、环境适应能力强、安全等突出特点，逐渐成为海洋开发相关行业的 宠儿。在科学研究、渔业和水产养殖、军事和国土及公共安全方面都能看到水下机器人的身 影。 [0004] 目前，水下机器人分为两大类：载人水下机器人和无人水下机器人(UUV，unmanned underwater vehicles) 。无人水下机器人又分为有缆遥控水下机器人 (ROV ，Remote Operated Vehicle)和无缆自治水下机器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)。便携 式ROV以其体积小、重量轻、成本低、投放使用简单等特点在水文监测、水产养殖等领域具有 广阔的应用前景。与AUV相比 ，ROV的推进器数量及布局形式与其自由度数目、运动性能以及 控 制方式 有着密 切联 系 ，常见的 推进器数量有三个 、四 个 、六个 、八个 ，加上安装位置的 不 同 ，ROV演变出多种布局形式和结构外形。而对于应 用于近海、湖泊、水库等浅水水域的观察 级ROV，出于成本、体积重量的考虑，主要采用三推进器、四推进器的布局形式。 [0005] 自动定深控制是ROV的关键技术之一，现有的控制算法复杂，不易实现，三推进器 ROV自动定深运动过程稳定性差，抵抗水下浪涌干扰能力差。
同理，按照以下公式对从姿态传感器获取的数值做差、求导： Δθ＝θ0-θr
输入量为深度或倾角的偏差e和偏差变化率ec， 倾角偏差Δθ的基本论域为[-1rad，+1rad]， 倾角偏差变化率 的基本论域为[-0 .05rad/s，+0 .05rad/s]， 垂直推进器的控制电压基本论域为[-5V，+5V]， 深度偏差Δd的基本论域为[-0 .5m，+0 .5m]， 垂向速度 的基本论域为[-0 .2m/s，+0 .2m/s]， 水平推进器的控制电压基本论域为[-5V，+5V]， 偏差e和偏差变化率ec的离散论域为{-3 ,-2-1 ,0 ,1 ,2 ,3}， KP，KI，KD的修正量ΔKP，ΔKI，ΔKD的离散论域为{-3 ,-2-1 ,0 ,1 ,2 ,3}，对应着模糊子集 {NB ,NM ,NS ,ZE ,PS ,PM ,PB}； 为输入输出参数选取隶属度函数 ，隶属度函数的中间为三角形隶属函数μF (x) ，
表1-3
第二步，在线查表，从表1-1、表1-2、表1-3的自整定参数表中得出数值ΔKP ,ΔKI ,ΔKD，
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根据深度传感器、姿态传感器反馈的数据与期望值对比 ，选取不同的调整值，进而按以下公
式(5)、(6)、(7)可以计算出PID控制器的各个参数：
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910018403 .1
(22)申请日 2019 .01 .09
(71)申请人 哈尔滨工业大学（威海） 地址 264200 山东省威海市环翠区文化西 路2号 申请人 威海市机器人与智能装备产业研究 院
(72)发明人 黄博 马孔伟 陈倩
左侧为Z型函数f(x ,a ,c)， 右侧为S型函数f (x) ，
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步骤2 ，设定修正量ΔKP的自 整定参数表 ，如表1-1所示 ；设定修正量ΔKI的自 整定参数 表，如表1-2所示；设定修正量ΔKD的自整定参数表，如表1-3所示；
表1-1
表1-2
(74)专利代理机构 威海科星专利事务所 37202 代理人 孙小栋
(51)Int .Cl . G05D 1/06(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109814581 A (43)申请公布日 2019.05.28
( 54 )发明 名称 ROV水下机器人自动定深运动控制方法
( 57 )摘要 本发明涉及一种ROV水下机器人自动定深运
权利要求书3页 说明书10页 附图5页
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1 .一种ROV水下机器人自动定深运动控制方法，其特征在于，采用双闭环模糊PID控制 器，包括以下步骤：
第一步，生成模糊查询表，具体过程包括： 步骤1，输入变量的模糊化： 按照以下公式将从深度传感器获取的数值Baidu Nhomakorabea差、求导： Δd＝d0-dr