一种用于水下机器人的姿态控制装置

1.一种用于水下机器人的姿态控制装置，其特征在于：所述姿态控制装置(2)包括固定框架(10)、丝杠(8)、导轨(5)、控制电机一(9)和控制电机二(3)、角度配重块(7)部分，丝杠(8)、导轨(5)、控制电机一(9)、控制电机二(3)均固定安装在固定框架(10)上；所述固定框架(10)的顶部一端两侧中部设置有安装座(6)，所述固定框架(10)内部且分别与控制电机一(9)和控制电机二(3)处于相同水平线的另一端均设置有电机配重块(4)，所述控制电机一(9)和控制电机二(3)的驱动端与电机配重块(4)之间均设置有丝杠(8)，所述丝杠(8)上设有丝杆螺母且丝杆螺母上安装有配合使用的角度配重块(7)，所述固定框架(10)内且位于丝杠(8)下方位置均设有导轨(5)；控制电机一(9)和控制电机二(3)分别驱动两根丝杠(8)，与丝杠(8)配合的丝杠螺母上固定的角度配重块(7)会随丝杠(8)的转动而移动位置，改变水下机器人重心位置起到调节姿态角作用。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人的姿态控制装置，其特征在于：所述姿态控制装置还包括：控制系统部分，所述控制系统部分包括角度控制模块、控制模型、电机控制器部分，电机为最终的执行部件，电机的转动角度最终转化为水下机器人的姿态角输出，将水下机器人的姿态角反馈至角度控制模块，实现闭环控制；角度控制模块包括：横滚角控制和俯仰角控制，电机控制器包括：控制电机一(9)控制器和控制电机二(3)控制器，电机包括：控制电机一(9)和控制电机二(3)。
3.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人的姿态控制装置，其特征在于：所述控制电机一(9)和控制电机二(3)分别对应独立的控制器。
4.根据权利要求3所述的一种用于水下机器人的姿态控制装置，其特征在于：所述控制电机一(9)位于固定框架(10)的横向位置且是固定框架(10) 的外部，所述控制电机二(3)位于固定框架(10)的纵向位置且是固定框架(10)的外部，所述控制电机一(9)上的丝杠(8)和控制电机二(3)上的丝杠(8)之间呈“十”状位置分布。
5.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人的姿态控制装置，其特征在于：所述角度配重块包括：俯仰角配重块(71)和横滚角配重块(72)，所述俯仰角配重块(71)位于控制电机一(9)连接的丝杠(8)上，所述横滚角配重块(72)位于控制电机二(3)连接的丝杠(8)上，所述丝杆螺母上设有配合丝杠(8)使用的螺纹孔，所述角度配重块(7)的横截面均呈“T”状结构。

一种用于水下机器人的姿态控制装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种用于水下机器人的姿态控制装置。
背景技术
[0002] 目前，在水下机器人领域比较先进的国家主要是欧美、日本等一些海洋强国，这些国家从上世纪60年代开始成立研究机构致力于相关技术研究和产品开发，经过多年发展，积累了大量技术，形成了完整的水下机器人产业。在水下机器人运动控制、各种类型水下机器人开发等方面形成了巨大的优势，处于国际先进水平。我国的水下机器人研究起步比较晚，但是经过十几年的努力也取得了一定成就，自行研发的大中型遥控无人潜水器(ROV)已经在海洋资源勘测与开发、水下搜救等方面发挥了重要的作用。因此开发水下常驻、能量利用效率高、结构简单、可靠性高的水下智能机器人十分必要，在结构设计及优化、智能无人控制系统等方面都需要长久不懈的努力。
[0003] 姿态控制是实现水下机器人稳定、自主控制的基础，在水下机器人运动控制中起到了至关重要的作用。姿态控制包括偏航角、俯仰角、横滚角控制，其中偏航角、俯仰角的控制尤为重要，常见的方法为使用多个水下电机及控制器，通过不同电机提供一定大小和方向的推力进行控制，通过改变推力的大小实现一定范围姿态角的调节，一般为闭环控制。综上所述，现有的控制方法存在以下缺点：(1)推进器需要不间断提供推力，机器人能耗较高；
(2)虽然当前针对水下机器人运动控制开发了多种控制算法，但仍存在调试繁琐、控制精度不足的问题；(3)适应性不足，容易受到环境的影响，控制效果不佳。因此，需要设计相应的技术方案给予解决。
实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种用于水下机器人的姿态控制装置，解决现有技术存在的以下不足：(1)推进器需要不间断提供推力，机器人能耗较高；(2) 虽然当前针对水下机器人运动控制开发了多种控制算法，但仍存在调试繁琐、控制精度不足的问题；(3)适应性不足，容易受到环境的影响，控制效果不佳。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种用于水下机器人的姿态控制装置，包括固定框架、丝杠、导轨、控制电机一和控制电机二、角度配重块，丝杠、导轨、控制电机一、控制电机二均固定安装在固定框架上；所述固定框架的顶部一端两侧中部设置有安装座，所述固定框架内部且分别与控制电机一和控制电机二处于相同水平线的另一端均设置有电机配重块，所述控制电机一和控制电机二的驱动端与电机配重块之间均设置有丝杠，所述丝杠上设有丝杆螺母且丝杆螺母上安装有配合使用的角度配重块，所述固定框架内且位于丝杠下方位置均设有导轨；控制电机一和控制电机二分别驱动两根丝杠，与丝杠配合的丝杠螺母上固定的角度配重块会随丝杠的转动而移动位置，改变水下机器人重心位置起到调节姿态角作用。
[0006] 作为本实用新型的一种优选实施方式，所述姿态控制装置还包括：控制系统部分，所述控制系统部分包括角度控制模块、控制模型、电机控制器部分，电机为最终的执行部件，电机的转动角度最终转化为水下机器人的姿态角输出，将水下机器人的姿态角反馈至角度控制模块，实现闭环控制；角度控制模块包括：横滚角控制和俯仰角控制，电机控制器包括：控制电机一控制器和控制电机二控制器，电机包括：控制电机一和控制电机二。
[0007] 作为本实用新型的一种优选实施方式，所述控制电机一和控制电机二分别对应独立的控制器。
[0008] 作为本实用新型的一种优选实施方式，所述控制电机一位于固定框架的横向位置且是固定框架的外部，所述控制电机二位于固定框架的纵向位置且是固定框架的外部，所述控制电机一上的丝杠和控制电机二上的丝杠之间呈“十”状位置分布。
[0009] 作为本实用新型的一种优选实施方式，所述角度配重块包括：俯仰角配重块和横滚角配重块，所述俯仰角配重块位于控制电机一连接的丝杠上，所述横滚角配重块位于控制电机二连接的丝杠上，所述丝杆螺母上设有配合丝杠使用的螺纹孔，所述角度配重块的横截面均呈“T”状结构。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
[0011] (1)有效降低了水下机器人的能耗；
[0012] (2)结构、控制逻辑简单，易于实现，开发、制造成本低；
[0013] (3)控制精度高，适应性强，不易受环境影响；
[0014] (4)便于集成到不同类型的水下机器人中。
附图说明
[0015] 图1为本实用新型姿态控制装置安装位置示意图；
[0016] 图2为本实用新型姿态控制装置结构示意图；
[0017] 图3为本实用新型姿态控制系统原理图。
[0018] 图中:水下机器人‑1，姿态控制装置‑2，控制电机二‑3，电机配重块‑4，导轨‑5，安装座‑6，俯仰角配重块‑71，横滚角配重块‑72，丝杠‑8，控制电机一 ‑9，固定框架‑10。
具体实施方式
[0019] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0020] 请参阅图1‑3，本实用新型提供一种技术方案：一种用于水下机器人的姿态控制装置，所述姿态控制装置2通常安装于下机器人1的底部，姿态控制装置2 包括固定框架10、控制电机一9、丝杠8和控制电机二3，固定框架10的顶部一端设置有用于装配的安装座6，两组丝杠8安装在固定框架10内部，且一端分别与控制电机一9和控制电机二3的驱动端固定连接，另一端设置有电机配重块4，丝杠8上设置丝杆螺母且丝杆螺母上设有配合使用的角度配重块7，固定框架10内且位于丝杠8下方位置均设有配合使用的导轨5。
[0021] 所述控制电机一9和控制电机二3分别对应独立的控制器；控制电机一9 位于固定框架10的横向位置且是固定框架10的外部，控制电机二3位于固定框架10的纵向位置且是固定框架10的外部，控制电机一9上的丝杠8和控制电机二3上的丝杠8之间呈“十”状位置分布。丝杠8和导轨5位于固定框架 10的内部，角度配重块7包括俯仰角配重块71和横滚角配重块72，俯仰角配重块71位于控制电机一9连接的丝杆8上，横滚角配重块72位于控制电机二3 连接的丝杆8上，丝杆螺母上设有与丝杠配合使用的螺纹孔，角度配重块7横截面呈“T”状结构。
[0022] 本方案的原理为通过移动角度配重块7改变重心位置从而达到改变水下机器人姿态的目的，通过该装置可以实现水下机器人俯仰角、横滚角的准确控制，控制精度高，控制逻辑简单。电机配重块4用于平衡电机重力，可以保持水下机器人平衡，简化控制逻辑，提升控制精度，实际使用时可根据实际情况，将电机配重减小或取消，达到简化机构的目的。
[0023] 其中，姿态控制装置一般安装在水下机器人底部，电机设计为防水电机，对于机舱较大的水下机器人可将姿态控制装置安装于机舱内，为合理利用空间可将俯仰角、横滚角控制部分进行拆分。
[0024] 所述姿态控制装置还包括：控制系统部分，所述控制系统部分包括角度控制模块、控制模型、电机控制器部分，电机为最终的执行部件，电机的转动角度最终转化为水下机器人的姿态角输出，将水下机器人的姿态角反馈至角度控制模块，实现闭环控制。角度控制模块包括：横滚角控制和俯仰角控制，电机控制器包括：控制电机一9控制器和控制电机二3控制器，电机包括：控制电机一9和控制电机二3。具体地，通过姿态传感装置可以精确测得水下机器人的姿态角，将实际测得的姿态角作为负反馈调节的输入，姿态角目标值作为期望，实现闭环控制，根据期望角度与实测角度的差值进行负反馈调节。根据实际需求建立合理的控制模型，运算后输出控制信号，控制信号经过电机控制器转化合理的驱动信号，驱动电机转动一定角度，带动丝杠8转动，从而角度配重块7 移动一定位移，起到调节重心的作用。
通过调节重心位置，可以达到水下机器人姿态控制的目的。姿态控制装置通过闭环控制可以实现俯仰角及横滚角的精确控制，控制逻辑简单，控制方法适应性强，可以根据实际需求选择相应控制算法。
[0025] 使用时：本方案首先根据使用需求输入相应的姿态角期望值，通过姿态传感装置测得水下机器人实际的姿态角，并通过控制模型进行计算，随后通过控制器对控制电机一9和控制电机二3进行转动控制，并进一步带动丝杠8进行转动，使角度配重块7在丝杠8上进行位置的改变，从而改变了水下机器人1 的重心位置，达到控制水下机器人1姿态目的。
[0026] 最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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