水下機器人四螺旋槳推進器控制方法榮譽表彰

2020年7月14日，《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》獲得第二十一屆中國專利獎優(yōu)秀獎。

由圖1-5所示，《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》提供了一種水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，水下機器人5包括左水平推進器3、右水平推進器4和左垂直推進器1、右垂直推進器2，每個推進器由一個電機和一個螺旋槳組成。四個推進器采用一種電機，但采用兩對螺旋槳，水平推進器用一對，垂直推進器用一對，其中每對螺旋槳同向安裝，但槳葉方向相反。上位機通過操作三維搖桿6來控制水下機器人5的運動方式。水平推進器提供水平推進動力，垂直推進器提供上升下潛動力，水下機器人5水平向前推進的時候為水平螺旋槳提供動力的兩個電機分別反向旋轉(zhuǎn)，故兩個螺旋槳提供的動力都為向前；當兩個電機同向旋轉(zhuǎn)的時候，兩個螺旋槳提供的動力一個向前一個向后，實現(xiàn)水下機器人5的轉(zhuǎn)向，并且分別給予兩個電機不同的動力，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎角度大小的控制。水下機器人5的上升下潛控制時左垂直推進器1和右垂直推進器2的兩個電機不進行差速控制，而是同時給予相同的動力，通過控制動力大小控制水下機器人5的上升和下潛速度。下位機通過判斷三維搖桿6的第一維運動參數(shù)實現(xiàn)控制水下機器人5的上升和下潛運動，通過判斷第二和第三維運動參數(shù)，實現(xiàn)水下機器人5的直線前進、直線后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、左前方前進、右前方前進、左后方后退、右后方后退的運動控制。

《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》提供了一種水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，包括如下步驟：

（1）水下機器人5上位機檢測三維搖桿6的實時位置將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的參數(shù)通過485通信發(fā)給下位機；

（2）下位機接收到上位機發(fā)來的控制信息后，判斷三維搖桿6的三維運動參數(shù)up_dow，fro_bac，lef_rig，當搖桿6不操作時，處于中間位置，搖桿6的三維運動實時參數(shù)均為0；

（3）根據(jù)三維搖桿6的命令參數(shù)控制四個螺旋槳推進器的推力大小以及方向，利用左垂直推進器1和右垂直推進器2控制水下機器人5的上升和下潛運動，利用左水平推進器3和右水平推進器4控制水下機器人5直線前進、直線后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、左前方前進、右前方前進、左后方后退、右后方后退動作。

當搖桿6從中間位置順時針旋轉(zhuǎn)到頭的過程中，第一維搖桿實時參數(shù)up_dow的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿6從中間位置逆時針旋轉(zhuǎn)到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機通過判斷第一維運動參數(shù)up_dow，控制水下機器人5的上升和下潛運動；如果第一維運動參數(shù)up_dow≤（N-1），此時左垂直推進器1旋轉(zhuǎn)方向為正，右垂直推進器2旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)下潛運功；如果第一維運動參數(shù)up_dow≥N，左垂直推進器1旋轉(zhuǎn)方向為反，右垂直推進器2旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)上升運功。

當搖桿6從中間位置向前到頭的過程中，第二維搖桿實時參數(shù)fro_bac的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿6從中間位置向后到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機判斷第二維運動參數(shù)fro_bac，控制水下機器人5的前進和后退運動；如果第二維運動參數(shù)fro_bac≤（N-1）成立，同時再判斷第三維運動參數(shù)lef_rig=0，實現(xiàn)直線前進動作；如果第二維運動參數(shù)fro_bac≥N成立，同時再判斷第三維運動參數(shù)lef_rig=0，實現(xiàn)直線后退動作。

當搖桿6從中間位置向右到頭的過程中，第三維搖桿實時參數(shù)lef_rig的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿6從中間位置向左到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機判斷第三維運動參數(shù)lef_rig，控制水下機器人5的左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎運動；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，同時再判斷第二維運動參數(shù)fro_bac=0，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎運動；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，同時再判斷第二維運動參數(shù)fro_bac=0，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎運動。

如果第二維運動參數(shù)fro_bac≤（N-1）成立，則fro=fro_bac，為前進命令；同時再判斷第三維運動參數(shù)，如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，則lef=lef_rig-N，右水平推進器4旋轉(zhuǎn)方向為反，右水平推進器4動力為[Max*（fro lef）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro lef）≥N時，?。╢ro lef）=N；左水平推進器3動力為[Max*（|fro-lef|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro-lef）≥0時，左水平推進器3旋轉(zhuǎn)方向為正，當（fro-lef）<0時，左水平推進器3旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)左前方前進動作；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，則rig=lef_rig，左水平推進器3旋轉(zhuǎn)方向為正，左水平推進器3動力為[Max*（fro rig）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro rig）≥N時，取（fro rig）=N；右水平推進器4動力為[Max*（|fro-rig|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro-rig）≥0時右水平推進器4旋轉(zhuǎn)方向為反，當（fro-rig）<0時右水平推進器4旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)右前方前進動作。

如果第二維運動參數(shù)N

1.一種水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）水下機器人上位機檢測三維搖桿的實時位置將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的參數(shù)通過485通信發(fā)給下位機；

（2）下位機接收到上位機發(fā)來的控制信息后，判斷三維搖桿的三維運動參數(shù)up_dow，fro_bac，lef_rig，當搖桿不操作時，處于中間位置，搖桿的三維運動實時參數(shù)均為0；

（3）根據(jù)三維搖桿的命令參數(shù)控制四個螺旋槳推進器的推力大小以及方向，利用左垂直推進器和右垂直推進器控制水下機器人的上升和下潛運動，利用左水平推進器和右水平推進器控制水下機器人直線前進、直線后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、左前方前進、右前方前進、左后方后退、右后方后退動作。

2.如權(quán)利要求1所述的水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于：當搖桿從中間位置順時針旋轉(zhuǎn)到頭的過程中，第一維搖桿實時參數(shù)up_dow的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿從中間位置逆時針旋轉(zhuǎn)到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機通過判斷第一維運動參數(shù)up_dow，控制水下機器人的上升和下潛運動；如果第一維運動參數(shù)up_dow≤（N-1），此時左垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，右垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)下潛運功；如果第一維運動參數(shù)up_dow≥N，左垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，右垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)上升運功。

3.如權(quán)利要求1所述的水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于：當搖桿從中間位置向前到頭的過程中，第二維搖桿實時參數(shù)fro_bac的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿從中間位置向后到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機判斷第二維運動參數(shù)fro_bac，控制水下機器人的前進和后退運動；如果第二維運動參數(shù)fro_bac≤（N-1）成立，同時再判斷第三維運動參數(shù)lef_rig=0，實現(xiàn)直線前進動作；如果第二維運動參數(shù)fro_bac≥N成立，同時再判斷第三維運動參數(shù)lef_rig=0，實現(xiàn)直線后退動作。

4.如權(quán)利要求3所述的水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于：當搖桿從中間位置向右到頭的過程中，第三維搖桿實時參數(shù)lef_rig的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿從中間位置向左到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機判斷第三維運動參數(shù)lef_rig，控制水下機器人的左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎運動；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，同時再判斷第二維運動參數(shù)fro_bac=0，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎運動；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，同時再判斷第二維運動參數(shù)fro_bac=0，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎運動。

5.如權(quán)利要求4所述的水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于：如果第二維運動參數(shù)fro_bac≤（N-1）成立，則fro=fro_bac，為前進命令；同時再判斷第三維運動參數(shù)，如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，則lef=lef_rig-N，右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，右水平推進器動力為[Max*（fro lef）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro lef）≥N時，取（fro lef）=N；左水平推進器動力為[Max*（|fro-lef|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro-lef）≥0時，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，當（fro-lef）<0時，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)左前方前進動作；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，則rig=lef_rig，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，左水平推進器動力為[Max*（fro rig）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro rig）≥N時，?。╢ro rig）=N；右水平推進器動力為[Max*（|fro-rig|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro-rig）≥0時右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，當（fro-rig）<0時右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)右前方前進動作。

6.如權(quán)利要求5所述的水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于：如果第二維運動參數(shù)N

7.如權(quán)利要求6所述的水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，其特征在于：如果第二維運動參數(shù)fro_bac≥（N 40）成立，則bac=fro-bac-N，為后退命令；同時再判斷第三維運動參數(shù)，如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，則lef=lef_rig-N，右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，右水平推進器動力為[Max*（bac lef）/N]轉(zhuǎn)/分，當（bac lef）≥N時，?。╞ac lef）=N；左水平推進器動力為[Max*（|bac-lef|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（bac-lef）≥0時左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，當（bac-lef）<0時左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)左后方后退動作；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，則rig=lef_rig，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，左水平推進器動力為[Max*（bac rig）/N]轉(zhuǎn)/分，當（bac rig）≥N時，?。╞ac rig）=N；右水平推進器動力為[Max*（|bac-rig|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（bac-rig）≥0時右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，當（bac-rig）<0時右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)右后方后退動作。

《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》屬于水下機器人自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種水下機器人的四螺旋槳推進器控制方法。

圖1為《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》結(jié)構(gòu)組成以及運動方向圖。

圖2為《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》上位機三維搖桿控制方向圖。

圖3為《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》一維運動參數(shù)控制示意圖。

圖4為《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》二維運動參數(shù)控制示意圖。

圖5為《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》三維運動參數(shù)控制示意圖。

水下機器人四螺旋槳推進器控制方法專利目的

《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》提出了一種水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)上位機對下位機的動力大小以及方向控制，不僅提高了水下工作效率，而且可以讓水下機器人在水下以任意方向運動，提高了水下監(jiān)測的靈活高效性，很好的滿足了操作人員的需要。

水下機器人四螺旋槳推進器控制方法技術(shù)方案

《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》的技術(shù)方案為：和2014年之前的技術(shù)相比，該發(fā)明提供了一種水下機器人四螺旋槳推進器控制方法，包括如下步驟：

（1）水下機器人上位機檢測三維搖桿的實時位置將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的參數(shù)通過485通信發(fā)給下位機；

（2）下位機接收到上位機發(fā)來的控制信息后，判斷三維搖桿的三維運動參數(shù)up_dow，fro_bac，lef_rig，當搖桿不操作時，處于中間位置，搖桿的三維運動實時參數(shù)均為0；

（3）根據(jù)三維搖桿的命令參數(shù)控制四個螺旋槳推進器的推力大小以及方向，利用左垂直推進器和右垂直推進器控制水下機器人的上升和下潛運動，利用左水平推進器和右水平推進器控制水下機器人直線前進、直線后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、左前方前進、右前方前進、左后方后退、右后方后退動作?；谏鲜龇桨?，該發(fā)明還進行如下改進：

當搖桿從中間位置順時針旋轉(zhuǎn)到頭的過程中，第一維搖桿實時參數(shù)up_dow的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿從中間位置逆時針旋轉(zhuǎn)到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機通過判斷第一維運動參數(shù)up_dow，控制水下機器人的上升和下潛運動；如果第一維運動參數(shù)up_dow≤（N-1），此時左垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，右垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)下潛運功；如果第一維運動參數(shù)up_dow≥N，左垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，右垂直推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)上升運功。

當搖桿從中間位置向前到頭的過程中，第二維搖桿實時參數(shù)fro_bac的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿從中間位置向后到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機判斷第二維運動參數(shù)fro_bac，控制水下機器人的前進和后退運動；如果第二維運動參數(shù)fro_bac≤（N-1）成立，同時再判斷第三維運動參數(shù)lef_rig=0，實現(xiàn)直線前進動作；如果第二維運動參數(shù)fro_bac≥N成立，同時再判斷第三維運動參數(shù)lef_rig=0，實現(xiàn)直線后退動作。

當搖桿從中間位置向右到頭的過程中，第三維搖桿實時參數(shù)lef_rig的讀數(shù)位從1到（N-1）均勻遞增，當搖桿從中間位置向左到頭的過程中，讀數(shù)位從N到（2N-1）均勻遞增，下位機判斷第三維運動參數(shù)lef_rig，控制水下機器人的左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎運動；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，同時再判斷第二維運動參數(shù)fro_bac=0，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎運動；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，同時再判斷第二維運動參數(shù)fro_bac=0，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎運動。

如果第二維運動參數(shù)fro_bac≤（N-1）成立，則fro=fro_bac，為前進命令；同時再判斷第三維運動參數(shù)，如果第三維運動參數(shù)lef_rig≥N成立，則lef=lef_rig-N，右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，右水平推進器動力為[Max*（fro lef）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro lef）≥N時，?。╢ro lef）=N；左水平推進器動力為[Max*（|fro-lef|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro-lef）≥0時，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，當（fro-lef）<0時，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，實現(xiàn)左前方前進動作；如果第三維運動參數(shù)lef_rig≤（N-1）成立，則rig=lef_rig，左水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，左水平推進器動力為[Max*（fro rig）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro rig）≥N時，?。╢ro rig）=N；右水平推進器動力為[Max*（|fro-rig|）/N]轉(zhuǎn)/分，當（fro-rig）≥0時右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為反，當（fro-rig）<0時右水平推進器旋轉(zhuǎn)方向為正，實現(xiàn)右前方前進動作。

如果第二維運動參數(shù)N水下機器人四螺旋槳推進器控制方法技術(shù)效果

《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》通過上位機檢測三維搖桿的實時位置將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的參數(shù)通過485通信發(fā)給下位機，下位機接收到上位機發(fā)來的控制信息后，判斷三維搖桿的三維運動參數(shù)up_dow，fro_bac，lef_rig，根據(jù)三維搖桿的命令參數(shù)控制四個螺旋槳推進器的推力大小以及方向，從而實現(xiàn)水下機器人在水中的運動控制；《水下機器人四螺旋槳推進器控制方法》不僅提高了水下工作效率以及水下機器人的控制精度和控制效率，而且提高了水下監(jiān)測的靈活高效性，很好的滿足了操作人員的需要。

隨著中國海洋漁業(yè)的發(fā)展，人類自身的條件已經(jīng)不能滿足水下工作的需要，水下機器人的出現(xiàn)，在人類開發(fā)、探索海洋資源以及水產(chǎn)養(yǎng)殖方面都發(fā)揮著越來越重要的作用。

2014年前，中國國外已經(jīng)有了一系列商業(yè)化的水下機器人產(chǎn)品，1960年世界上第一臺水下機器人誕生，取名為“CURV1”，世界上第一臺用于商業(yè)的水下機器人是美國的RCV-225，它主要應(yīng)用于近海的開發(fā)作業(yè)，體積小，質(zhì)量輕，有四個推進器可以實現(xiàn)潛體的前進、后退及上升、下降功能，但是水下機器人由于其復(fù)雜的水下環(huán)境，加上本身機器人形狀的不規(guī)則性，往往很難建立準確的數(shù)學(xué)模型，加上水流等因素的影響，水下機器人的運動控制方法就需要較好的適應(yīng)性。為了適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境，通過上位機有效的控制下位機，就2014年前發(fā)展情況來看，仍需要建立一套比較有效的控制方法，通過控制動力大小來控制水下機器人在水下的運動方式，這樣也可以提高水下機器人的控制精度和控制效率。

推進器是交通工具的推進設(shè)備，是將交通工具上動力裝置提供的動力轉(zhuǎn)換成推力，推進交通工具前行。

按照交通工具的不同，有航空推進器、航天推進器、船舶推進器。

按照原理不同，有螺旋槳推進器、噴氣推進器、噴水推進器、特種推進器。

在螺旋槳推進器中又有水螺旋槳推進器和空氣螺旋槳推進器之分，水螺旋槳是船舶上用的，屬于船舶推進器 一類中；空氣螺旋槳是飛機、直升飛機上應(yīng)用的，屬于航空推進器一類。

特種推進器又有許多種類，有變距螺旋槳推進器、葉片幾何變異推進器 、導(dǎo)管螺旋槳、直翼推進器、噴射推進器、離子推進器、磁流體推進器、超導(dǎo)磁流體推進器等。

日前，長江航道救助打撈局水下檢測中心在長江荊江河段開展了新型水下機器人設(shè)備試驗，為水下檢測新方法作出了有益的探索。這意味著，未來水下機器人可能更廣泛地應(yīng)用于水下打撈。

“ROV的優(yōu)點是水面操作人員可實時觀察到水下環(huán)境并遙控操作，對機器智能要求不高，缺點是由于電纜連接，其活動范圍有限；AUV的優(yōu)點是由于沒有電纜連接，其活動范圍較大，不受母船制約，不足是對機器智能要求較高，目前僅限于簡單的水下探測作業(yè)?！绷謸P指出，目前發(fā)展了ROV和AUV混合型水下機器人，其活動范圍較ROV大大增加，且操作者可以通過光纖實時監(jiān)測和操控水下機器人，因此也稱之為半自主水下機器人。

中科院沈陽自動化研究所海洋技術(shù)裝備研究室主任李碩告訴記者，2014年7月份，深?；铏C在南海完成了區(qū)域覆蓋觀測試驗性應(yīng)用，這是我國自主研制的滑翔機首次完成該項試驗性應(yīng)用。

中科院光電技術(shù)研究所高級工程師馮常則介紹了一種工作于特種環(huán)境條件下的水下機器人。目前，該所研發(fā)的水下機器人主要應(yīng)用于核電站停堆大修期間關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測及維護。