一种水下机器人的基于推力分配的混合推进系统的制作方法

1.本发明涉及水下技术领域，尤其是一种水下机器人的基于推力分配的混合推进系统。


背景技术：

2.水下机器人具有运动灵活、作业能力强等优点，被广泛应用于各种水下资源开发和勘探场景中。水下机器人的运动能力与其推进系统的配置有非常大的关系。目前，水下机器人推进系统按驱动方式主要可以分为液压推进系统和电动推进系统两种：
3.液压推进系统主要由液压推进器、液压源、管路等设备组成，具有功率密度大的优点，即采用相同体积的液压推进系统能够产生更大的推力，但是其系统构成复杂，并且整体运行效率较低，能源损耗高。同时，液压推进系统一般与作业装置共用液压源，容易导致水下机器人的运动性能和作业性能相互影响。
4.电动推进系统中主要采用电动推进器，具有运行效率高的优势，目前许多水下机器人都已经开始采用电动推进器组建电动推进系统。对于许多作业型的水下机器人，即使采用电动推进系统，但仍需要在水下机器人上搭载一套液压源和管路，为机器手等作业装置提供动力源，而此时液压源只有在机械手作业情况下才会使用，其他情况下都处于停机状态，利用率不高，甚至会成为水下机器人的载荷负担。


技术实现要素：

5.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种水下机器人的基于推力分配的混合推进系统，本发明的技术方案如下：
6.一种水下机器人的基于推力分配的混合推进系统，该混合推进系统包括推进控制器、m个电动推进器、n个液压推进器、液压源以及作业装置，所有电动推进器和所有液压推进器均布置在水下机器人的同一水平面上，液压推进器均与水下机器人的纵轴线平行；推进控制器连接并控制所有电动推进器，推进控制器还通过液压源连接并控制所有液压推进器；
7.推进控制器确定水平纵向期望推力τ
dx
和水平横向期望力τ
dy
和转艏期望力矩τ
dn
，水平纵向的正方向在水平面上沿着水下机器人艏部向前，水平横向的正方向在水平面上垂直于水平纵向朝向水下机器人右侧；
8.当水下机器人工作于作业模式下时，推进控制器将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器之间进行推力分配以确定各个电动推进器的目标推力，并确定各个液压推进器的目标推力为0；推进控制器按照各个电动推进器的目标推力控制相应的电动推进器、通过液压源按照目标推力0控制所有液压推进器，液压源用于为作业装置提供动力；
9.当水下机器人工作于航行模式下时，推进控制器将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器和所有液压推进器之间进行推力分配，以确定各个电动推进器和各个液压推进器的目标推力；推进控制器按照各个电动推进器的目标推力控制相应的电动推进器、通过液压源按照
各个液压推进器的目标推力控制相应的液压推进器。
10.本发明的有益技术效果是：
11.本技术公开了一种水下机器人的基于推力分配的混合推进系统，该系统包含了电动推进器和液压推进器两种不同特性的推进器，且分别面向航行模式和作业模式采用两种不同的推力分配策略，通过作业模式下的推力分配策略保证了液压推进器在作业模式下不占用液压能源。而航行模式下的推力分配策略保证了对液压能源的有效利用，从而可以发挥出高功率密度和高效率运动的组合优势。
12.进一步的，在航行模式下采用了基于规则的电动-液压推力分配策略，能够使系统在轻载状态下只采用电动推进，具有高效率的优势；在重载状态下，则优先利用液压推进器提供一部分稳定的纵向推力，不足部分由电动推进器补充，从而充分发挥液压推进器大功率密度和电动推进器高精度的优势，使水下机器人具有很强的运动能力。
附图说明
13.图1是本技术的混合推进系统的系统结构示意图。
14.图2是一个实施例中推进控制器执行的推力分配方法的示意图。
15.图3是一个实施例中当水下机器人工作于航行模式时，推进控制器执行的推力分配方法的示意图。
16.图4是一个实施例中当水下机器人工作于航行模式且处于重载状态时，推进控制器执行的推力分配方法的示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
18.本技术公开了一种水下机器人的基于推力分配的混合推进系统，该混合推进系统包括推进控制器1、m个电动推进器2、n个液压推进器3、液压源4以及作业装置，所有电动推进器2和所有液压推进器3均布置在水下机器人5的同一水平面上，液压推进器3均与水下机器人5的纵轴线平行。如图1示出了一种典型的安装示意图，则该混合推进系统包括4台电动推进器2以及2台液压推进器3，4台电动推进器2呈x型布置，其中两台电动推进器2安装在水下机器人5的前部且与水下机器人5的纵轴线正方向的夹角均为θ，另外两台电动推进器2安装在水下机器人5的后部且与水下机器人5的纵轴线反方向的夹角均为θ，水下机器人的重心到推进器的轴线的距离均为ld。2台液压推进器3均安装在水下机器人5的艉部且均与水下机器人5的纵轴线平行。
19.电动推进器2和液压推进器3都具有相应的推力范围，各个推进器的推力范围可以相同也可以不同，本技术以所有电动推进器2的推力范围均相同为[-t
emax
，t
emax
]、以所有液压推进器3的推力范围均相同为[-t
hmax
，t
hmax
]为例，其中符号表示推力方向，t
emax
表示推力方向为正且推力大小为t
emax
，-t
emax
表示推力方向为负且推力大小为t
emax
，其他以此类推。
[0020]
推进控制器1连接并控制所有电动推进器2。推进控制器1还通过液压源4连接并控制所有液压推进器，实际液压源4通过管路6连接液压推进器3。图1只是示出了推进控制器1与液压源4和推进器之间的连接示意图，并不限定这两个设备的布设位置。图1未示出水下机器人5的作业装置，作业装置一般常见的有机械手等，在本技术中，作业装置与液压推进
器3共用一套液压源4。
[0021]
推进控制器1执行如下方法以进行推力分配，从而利用水下机器人5搭载的推进器完成驱动任务，请结合图2所示的流程图：
[0022]
首先，推进控制器1确定水平纵向期望推力τ
dx
和水平横向期望力τ
dy
和转艏期望力矩τ
dn
。本技术所指的水平纵向的正方向在水平面上平行于纵轴线沿着水下机器人5艏部向前，如图1中x轴所示，水平横向的正方向在水平面上垂直于水平纵向朝向水下机器人5右侧，如图1中y轴所示。这些τ
dx
、τ
dy
和τ
dn
可以是人为在总控台直接设定的，或者是推进控制器根据人为在总控台设定的的运动状态参数和目标参数按照预先设定的方法计算得到的，本技术对此不作详细说明。
[0023]
本技术的水下机器人5具有两种工作模式：也即作业模式和航行模式，水下机器人5可以在这两种工作模式之间进行切换。当水下机器人工作于作业模式下时，水下机器人需要使用作业装置完成作业任务。当水下机器人工作于航行模式下时，水下机器人不需要使用作业装置，只需进行航行。当水下机器人5在不同的工作模式下时，推进控制器1将τ
dx
、τ
dy
和τ
dn
进行推力分配的方法是不同的，推进控制器1可以从水下机器人5的总控台确定当前水下机器人5的工作模式，并分别按照如下两种不同的方法进行推力分配，请参考图2所示的流程图：
[0024]
一、当水下机器人5工作于作业模式下时。
[0025]
在作业模式下，水下机器人5需要利用作业装置完成作业任务，因此液压源4需要给作业装置提供动力。因此当水下机器人5工作于作业模式下时，推进控制器1将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器2之间进行推力分配以确定各个电动推进器2的目标推力，并确定各个液压推进器3的目标推力为0，也即液压推进器3不工作，液压源4不给液压推进器3提供动力，从而保证作业任务顺利完成。
[0026]
具体的，推进控制器1利用水平面推力合成矩阵b的伪逆矩阵b

＝b
t
(bb
t
)-1
，按照计算得到各个电动推进器的目标推力。
[0027]
其中，水平面推力合成矩阵b由水下机器人搭载的各个电动推进器2的装配位置所确定，基于图1所示的四个电动推进器2的装配位置，所确定的水平面推力合成矩阵b为继而可以确定其伪逆矩阵b

。由此确定四个电动推进器2的目标推力分别写为t1、t2、t3、t4分别表示水下机器人5航行方向左前方、右前方、右后方和左后方的电动推进器2的目标推力，后续也以此表示。
[0028]
基于图1所示的两个液压推进器3的结构，这种情况中可以确定两个液压推进器3的目标推力为t5＝t6＝0，t5、t6分别是两个液压推进器3的目标推力，后续也以此表示。
[0029]
推进控制器1按照各个电动推进器2的目标推力控制相应的电动推进器2。推进控制器1通过液压源4按照目标推力0控制所有液压推进器3。
[0030]
二、当水下机器人5工作于航行模式下时。
[0031]
在航行模式下，水下机器人5不需要利用作业装置完成作业任务，因此液压源4无需给作业装置提供动力，可以用来给液压推进器3提供动力，以充分利用液压源4。因此当水下机器人5工作于航行模式下时，推进控制器1将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器2和所有液压推进器3之间进行推力分配，以确定各个电动推进器2和各个液压推进器3的目标推力。
[0032]
在一个实施例中，推进控制器1在水下机器人5工作于航行模式下时总是将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器2和所有液压推进器3之间进行推力分配。或者在另一个实施例中，请参考图3，推进控制器1在水下机器人5工作于航行模式下时，根据当前水下机器人5负载状态的不同进行不同的推力分配。水下机器人5的负载状态包括轻载状态和重载状态：
[0033]
当确定水下机器人工作于航行模式下且当前处于轻载状态时，表示即便只使用电动推进器2也可以完成推进任务，此时由于电动推进器具有运行效率高的优势，因此推进控制器将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器之间进行推力分配以确定各个电动推进器的目标推力，并确定各个液压推进器的目标推力为0，与上述作业模式下的推力分配方法相同，本技术不再赘述。
[0034]
当确定水下机器人工作于航行模式下且当前处于重载状态时，表示若只使用电动推进器2无法完成推进任务，因此推进控制器1将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器和所有液压推进器之间进行推力分配以确定各个推进器的目标推力。
[0035]
具体的，推进控制器执行的方法包括：
[0036]
1、利用水平面推力合成矩阵b的伪逆矩阵b

＝b
t
(bb
t
)-1
，按照计算得到各个电动推进器的参考推力。水平面推力合成矩阵b的定义以及在图1装配位置下的表达式同上，该实施例不再赘述，对应的，四个电动推进器2的参考推力可以表示为
[0037]
2、判断是否超过预定阈值，该预定阈值为预先设定的自定义值，比如设定为0.8。进一步，为了降低误差和偶然性，计算连续时长内的多个per的平均值pav，并判断pav是否超过预定阈值。图3以检测是否满足pav《0.8为例。
[0038]
3、若per不超过预定阈值，对应的即为pav不超过预定阈值。则确定水下机器人工作于航行模式下且当前处于轻载状态，并将各个电动推进器2的参考推力直接作为对应电
动推进器的目标推力，且确定所有液压推进器的目标推力为0。也即令并确定t5＝t6＝0。
[0039]
4、若per超过预定阈值，对应的即为pav超过预定阈值。则确定水下机器人5工作于航行模式下且当前处于重载状态，并将τ
dx
、τ
dy
、τ
dn
在所有电动推进器2和所有液压推进器3之间进行推力分配。
[0040]
当在所有推进器之间进行推力分配时，由于液压推进器3具有功率密度大的优点，因此在电动推进器2的推力范围[-t
emax
，t
emax
]以及液压推进器3的推力范围[-t
hmax
，t
hmax
]的约束条件下，以优先使得各个液压推进器3的目标推力在推力范围内尽可能取得最大值为目标来进行推力分配，从而优先利用液压推进器3来提供航行推力，能够大幅度提高水下机器人5的航行运动能力，等效提高混合推进系统的功率密度。具体的，请参考图4：
[0041]
(1)构建各个电动推进器的目标推力的求解公式为
[0042]
(2)在电动推进器的推力范围[-t
emax
，t
emax
]以及参数0≤k≤1的约束条件下对上述求解公式进行求解，从而可以得到参数k的最大值。记则约束条件可以表示为继而可以通过线性规划的方法进行求解，得到参数k可以取得的最大值。
[0043]
(3)得到参数k可以取得的最大值后，确定偏差τ
dxerror
＝(1-k)*τ
dx
，并根据偏差τ
dxerror
的取值执行如下(4)或(5)。
[0044]
(4)若偏差|τ
dxerror
|≥n*t
hmax
，则确定所有液压推进器的目标推力的推力大小取为t
hmax
并根据计算得到的参数k和所述求解公式确定各个电动推进器的目标推力。推力大小取为t
hmax
包含两种情况，一种推力方向为正，另一种推力方向为负。则具体的：
[0045]
若τ
dxerror
≥n*t
hmax
，则确定所有液压推进器的目标推力均为t
hmax
，也即推力方向为正且推力大小为t
hmax
，并按照确定各个电动推进器的目标推力。也即基于图1，确
定t5＝t6＝t
hmax
。
[0046]
若τ
dxerror
≤n*(-t
hmax
)，则确定所有液压推进器的目标推力均为-t
hmax
，也即推力方向为负且推力大小为t
hmax
，并按照确定各个电动推进器的目标推力。也即基于图1，确定t5＝t6＝-t
hmax
。
[0047]
(5)若偏差|τ
dxerror
|《n*t
hmax
，则调整各个液压推进器2的目标推力的推力大小为小于t
hmax
的值，并根据计算得到的参数k相应计算得到各个电动推进器的目标推力。具体的：
[0048]
(a)根据与液压推进器的推力范围t
hmax
的关系确定位于[-t
hmax
，t
hmax
]范围内的具体的推进控制器确定的方法包括：
[0049]
当时，确定
[0050]
当时，确定
[0051]
当时，确定所在的取值区间对应的中间推力作为液压推进器的推力范围[-t
hmax
，t
hmax
]内包括若干个连续不重合的取值区间，且每个取值区间对应一个预设的中间推力。取值区间是预先划分的，具体划分的区间数量以及每个区间包含的推力范围可以自定义设置，各个取值区间包含的推力范围的大小可以相等也可以不等，且一个取值区间可以包含两种不同推力方向的推力。每个取值区间对应的中间推力均在[-t
hmax
，t
hmax
]范围内，且中间推力反映取值区间包含的推力的方向和大小，比如若取值区间包含的均为正取值的推力，则对应的中间推力也为正取值；且取值区间包含推力越大，对应的中间推力也越大。在一个实施例中，所确定的为：
[0052][0053]
(b)若|τ
dx-τ
dhx
|≤|k*τ
dx
|，则确定所有液压推进器3的目标推力均为并按照确定各个电动推进器2的目标推力。也即基于图1，确定
[0054]
(c)若|τ
dx-τ
dhx
|》|k*τ
dx
|且|τ
dhx
|＝n*t
hmax
，则确定所有液压推进器的目标推力均为并按照确定各个电动推进器的目标推力。也即基于图1，确定
[0055]
(d)若|τ
dx-τ
dhx
|》|k*τ
dx
|且τ
dhx
|《n*t
hmax
，则确定所有液压推进器的目标推力均为
并按照确定各个电动推进器的目标推力。也即基于图1，确定
[0056]
在另一个实施例中，不管水下机器人工作于作业模式还是航行模式，当确定得到各个电动推进器的目标推力后，推进控制器还根据电动推进器的推力范围[-t
emax
，t
emax
]对各个电动推进器的目标推力进行限幅处理：若电动推进器的目标推力的推力方向为正且推力大小大于t
emax
则将电动推进器的目标推力限幅为t
emax
，若电动推进器的目标推力的推力方向为负且推力大小大于t
emax
则将电动推进器的目标推力限幅为-t
emax
。
[0057]
后续，推力控制器可以根据预先保存的转速-推力曲线确定与各个电动推进器的目标推力对应的指令转速，然后以通讯的方式将指令转速发送至电动推进器。推力控制器还可以预先保存的流量-推力曲线确定各个液压推进器的的目标推力对应的指令流量，将指令流量指令发送至液压源以控制液压推进器。
[0058]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。