混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下機(jī)器人的運(yùn)動控制技術(shù)，具體為混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 混合懸浮環(huán)境的主要應(yīng)用是微重力效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，用于在地面模擬空間微重力環(huán) 境，目前國內(nèi)外都已經(jīng)建成了大量的此類實(shí)驗(yàn)設(shè)備。物體在環(huán)境中受到浮力、電磁力、重力 的共同作用處于懸浮狀態(tài)，因此其所處空間稱為混合懸浮環(huán)境。主要方法是將被試對象 (包括航天器實(shí)物或模型及航天員）全部浸沒在水中，先粗略調(diào)整配重或漂浮器的浮力，再 通過電磁力精確配平，克服被試對象的重力，使其漂浮于水中，近似模擬微重力效應(yīng)。該方 法具有六自由度三維模擬空間，可長時(shí)間連續(xù)實(shí)驗(yàn)?；旌蠎腋∥⒅亓υ囼?yàn)是航天技術(shù)地面 實(shí)驗(yàn)的一種有效手段，它通過水的浮力和電磁力共同克服物體的重力，實(shí)現(xiàn)微重力效應(yīng)的 模擬，但是水動阻力的存在使其應(yīng)用受到很大限制。因?yàn)樽枇κ腔旌蠎腋∠到y(tǒng)固有的干擾 力，不可能使其消除，只能對阻力產(chǎn)生的運(yùn)動效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，所以這也是混合懸浮微重力實(shí) 驗(yàn)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中對混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)的研宄主要集中在以下幾方面，1)研宄 六自由度運(yùn)動水下物體的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，分析如何建立精確的數(shù)學(xué)模型。2)研宄水 下物體運(yùn)動的阻力特性，分析影響阻力系數(shù)的主要因素。3)研宄推力器的控制方法，分析如 何提高推進(jìn)器的控制精度和響應(yīng)速度。4)研宄測量水下物體位置和運(yùn)動姿態(tài)的方法，分析 如何提高測量精度。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，針對以上研宄方向，能夠通過對水下實(shí)驗(yàn)體的運(yùn)動控制，利用動量定 理和動量矩定理，對六自由度運(yùn)動的水下實(shí)驗(yàn)體建立了精確的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程。能夠 通過進(jìn)行中性浮力實(shí)驗(yàn)，對補(bǔ)償阻力的推進(jìn)器的控制方法進(jìn)行了研宄與仿真，詳細(xì)給出推 力器控制回路的建立方法，推力器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。能夠通過水下實(shí)驗(yàn)體在水中運(yùn)動 的阻力特性，指出阻力變化的規(guī)律，分析實(shí)驗(yàn)體深度和運(yùn)動速度對阻力系數(shù)的影響。能夠通 過用于水下實(shí)驗(yàn)體的視覺測量系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)攝像機(jī)三角測量原理無法實(shí)現(xiàn)光線折射情況 下物體位置準(zhǔn)確測量的問題，完成水中實(shí)驗(yàn)體的定位解算，求得物體質(zhì)心坐標(biāo)。能夠通過中 性浮力環(huán)境中液體阻力的分析與估算，采用數(shù)值計(jì)算與仿真軟件相結(jié)合的方法估算實(shí)驗(yàn)體 所受水阻力。研宄涉及復(fù)雜外形實(shí)驗(yàn)體的阻力估算，首先利用商業(yè)軟件Fluent仿真得到實(shí) 驗(yàn)體的阻力系數(shù)插值表，再由測量得到的實(shí)驗(yàn)體速度、攻角插值得到阻力系數(shù)，最后利用公 式解算阻力系數(shù)。還能夠通過設(shè)計(jì)了 PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整，保 證了基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方案具有可行性。但以上的研宄方向和研宄結(jié) 論的都是對現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)化和深入，以及精度的提高，要求高，原理復(fù)雜，操作繁瑣，實(shí)施難 度大；并且均沒有涉及到對阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法的革新和變化，也沒有通過實(shí)時(shí)控制的角度 參數(shù)對阻力效應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行分析，無法滿足混合懸浮系統(tǒng)中要對阻力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目煽啃院图?時(shí)性的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種可靠性高，原理簡單，從角度參量的 影響出發(fā)，以實(shí)時(shí)測量為手段，對阻力進(jìn)行精確配平補(bǔ)償?shù)幕旌蠎腋…h(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ) 償方法。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，包括，
[0008] 第一步，通過實(shí)測或仿真模擬得到被測物體的動力學(xué)參數(shù)和以速度、角速度、攻角 或側(cè)滑角為變量得到動力學(xué)參數(shù)的擬合函數(shù)；并在建立坐標(biāo)系后得到被測物體的運(yùn)動方 程；
[0009] 第二步，通過被測物體在混合懸浮實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)動，測量得到被測物體當(dāng)前時(shí)刻 的測量運(yùn)動參數(shù)；
[0010] 第三步，通過將第二步中的測量運(yùn)動參數(shù)代入到運(yùn)動方程中得到其他的未知運(yùn)動 參數(shù)，將測量運(yùn)動參數(shù)和得到的未知運(yùn)動參數(shù)代入擬合函數(shù)，分別得到阻力系數(shù)和阻力矩 系數(shù)，從而得到阻力和阻力矩；
[0011] 第四步，根據(jù)被測物體的推進(jìn)器安裝和布設(shè)方式得到推力分配矩陣，根據(jù)推力分 配矩陣向每個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行推力分配，使推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力和推力矩；其中，每個(gè)推力器 所分派的推力不大于其所能輸出推力的極限值，總推力和第三步中得到的阻力大小相等方 向相反；
[0012] 第五步，在設(shè)定的時(shí)間步長內(nèi)重復(fù)第二步到第四步，使推進(jìn)器推力和推力矩逐漸 接近阻力和阻力矩，完成阻力效應(yīng)的補(bǔ)償。
[0013] 優(yōu)選的，第二步中，測量運(yùn)動參數(shù)包括姿態(tài)角、速度、角速度、加速度和角加速度； 姿態(tài)角包括俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和偏航角。
[0014] 優(yōu)選的，第三步中，通過阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)根據(jù)如下表達(dá)式分別得到阻力和 阻力矩；
[0015] 被測物體在混合懸浮環(huán)境中的阻力表達(dá)式為，
[0016]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于，包括， 第一步，通過實(shí)測或仿真模擬得到被測物體的動力學(xué)參數(shù)和以速度、角速度、攻角或側(cè) 滑角為變量得到動力學(xué)參數(shù)的擬合函數(shù)；并在建立坐標(biāo)系后得到被測物體的運(yùn)動方程； 第二步，通過被測物體在混合懸浮實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)動，測量得到被測物體當(dāng)前時(shí)刻的測 量運(yùn)動參數(shù)； 第三步，通過將第二步中的測量運(yùn)動參數(shù)代入到運(yùn)動方程中得到其他的未知運(yùn)動參 數(shù)，將測量運(yùn)動參數(shù)和得到的未知運(yùn)動參數(shù)代入擬合函數(shù)，分別得到阻力系數(shù)和阻力矩系 數(shù)，從而得到阻力和阻力矩； 第四步，根據(jù)被測物體的推進(jìn)器安裝和布設(shè)方式得到推力分配矩陣，根據(jù)推力分配矩 陣向每個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行推力分配，使推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力和推力矩；其中，每個(gè)推力器所分 派的推力不大于其所能輸出推力的極限值，總推力和第三步中得到的阻力大小相等方向相 反； 第五步，在設(shè)定的時(shí)間步長內(nèi)重復(fù)第二步到第四步，使推進(jìn)器推力和推力矩逐漸接近 阻力和阻力矩，完成阻力效應(yīng)的補(bǔ)償。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于，第二步 中，測量運(yùn)動參數(shù)包括姿態(tài)角、速度、角速度、加速度和角加速度；姿態(tài)角包括俯仰角，滾轉(zhuǎn) 角和偏航角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于，第三步 中，通過阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)根據(jù)如下表達(dá)式分別得到阻力和阻力矩； 被測物體在混合懸浮環(huán)境中的阻力表達(dá)式為， 物體在混合懸浮環(huán)境中沿各軸向的阻力矩表達(dá)式分別為，
其中，P為液體密度，L為被測物體長度，S為被測物體最大橫截面積，V為由第二步測 得的物體運(yùn)動速度，Cx為阻力系數(shù)，!^、!^、!^分別為各軸向的阻力矩系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于，第四步 中，推力分配矩陣由如下等式得到， τ = LT ； 其中，τ是合推力和推力矩，L為推力分配矩陣，T為推進(jìn)器推力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于，第五步 中，完成阻力效應(yīng)補(bǔ)償時(shí)的判斷條件如下， 當(dāng)被測物體不受外力和外力矩作用時(shí)，在混合懸浮環(huán)境中保持靜止或勻速直線運(yùn)動和 勻角速度運(yùn)動； 或當(dāng)被測物體受恒定外力作用時(shí)，在混合懸浮環(huán)境中保持勻加速直線運(yùn)動； 或當(dāng)被測物體受恒定外力矩作用時(shí)，在混合懸浮環(huán)境中保持勻角加速轉(zhuǎn)動運(yùn)動。
【專利摘要】本發(fā)明混合懸浮環(huán)境中的阻力效應(yīng)補(bǔ)償方法，包括，第一步，通過實(shí)測或仿真模擬得到被測物體的動力學(xué)參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)的擬合函數(shù)；并在建立坐標(biāo)系后得到被測物體的運(yùn)動方程；第二步，通過被測物體在混合懸浮實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)動，測量得到被測物體當(dāng)前時(shí)刻的測量運(yùn)動參數(shù)；第三步，通過將測量運(yùn)動參數(shù)代入到運(yùn)動方程中得到其他的未知運(yùn)動參數(shù)，將測量運(yùn)動參數(shù)和得到的未知運(yùn)動參數(shù)代入擬合函數(shù)，分別得到阻力系數(shù)和阻力矩系數(shù)，從而得到阻力和阻力矩；第四步，根據(jù)推力分配矩陣向每個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行推力分配，使推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力和推力矩；第五步，在設(shè)定的時(shí)間步長內(nèi)重復(fù)第二到第四步，使推進(jìn)器推力和推力矩逐漸接近阻力和阻力矩，完成阻力效應(yīng)的補(bǔ)償。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104656445
【申請?zhí)枴緾N201510023272
【發(fā)明人】朱戰(zhàn)霞, 宋江舟, 魏奇章, 毛正陽, 袁建平, 羅建軍, 方群
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月16日