基于多算法的rov远程协同控制器设计与实现

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1、基于多算法的ROV远程协同控制器设计与实现　　摘要：ROV（RemotelyOperatedVehicle）运动时，其精确的数学模型很难建立，往往达不到运动与操控的一致性。设计基于多算法的ROV远程协同控制器，主要包括两部分：ROV远程通信模块与多算法协同控制器。ROV远程通信设计采用串口转换以太网模块通信方式，将采集到的传感器信息以JSON数据格式实时发送给上位机；多算法协同控制器分别包括ROV偏航和深度的前馈PID控制器以及ROV俯仰的滑模控制器，可实现机器人自身的状态控制。最后，通过多组实验得出相应的控制效果和实验参数，验证了该远程协同控制器的有效性和实用性。　　关键词关键词

2、：ROV；JSON数据格式；滑模控制；远程协同控制器　　DOIDOI：10.11907/rjdk.161937　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）011009404　　0引言8　　随着时代的发展，水下机器人在世界范围内的应用领域不断扩大，包括海洋研究（科学考察）、海洋开发和水下工程等，并在许多国家获得了迅速发展。以美国为代表的军事大国尤其重视水下机器人在未来战争中的应用。在海洋开发过程中，水下机器人将在复杂海洋环境探测与建模，以及海洋目标的水下探测与识别、定位与传输等方面发挥重要作用。如何有效地控制水下机器人的运动和姿态是很多研

3、究者非常重视的问题。由于自治水下机器人运动控制具有时变、非线性、大时延、多自由度等特点，并且因为其所处水下环境的复杂性和多变性，人们很难得到精确的系统模型，给水下机器人的精确定位与控制带来了极大挑战。随着自治水下机器人的应用范围不断扩大，提高其自主性的关键技术之一是提高其控制器系统的性能[1]。　　近年来，水下机器人得到了迅速发展，但是由于其作业形式多样，水下机器人的外形也各不相同，它们通常不具有流线型结构。然而现有的几种典型数学模型都是针对某一具体对象建立的，因此水下机器人至今也没有通用模型。另外，由于水下干扰（海流）较大，进一步加大了水下机器人定点控制（动力定位）的难度。在机器

4、人的各种控制算法中，滑模控制由于具有对参数变化和系统未建模部分的鲁棒性和极强的抗干扰性，而成为水下机器人控制的有效方案之一。但是现有模型都是针对不同对象设计的，也没有研究过如何减轻因施加的控制作用而带来耦合作用的影响[2]。　　因此，水下机器人的悬停控制算法和定向研究是一个极有价值的研究课题。鉴于此，本文设计出相应的控制器，通过PID算法控制ROV的深度和航向，滑模算法控制ROV的俯仰姿态。其中算法设计、参数整定，在MATLAB中已经实现仿真，并在实际测试中作了进一步验证。图1为本文设计的水下机器人。　　1ROV运动控制中存在的问题8　　针对ROV的俯仰姿态小角度控制，通常采用PI

5、D线性控制方法加以解决。但是当ROV的俯仰姿态角度大于15度时，PID算法将失效，ROV俯仰姿态出现振荡现象。通过多组实验研究，ROV的俯仰姿态与单摆模型类似，且都属于非线性控制问题。因此，本文设计了滑模控制算法来克服这种非线性控制问题。　　ROV远程通信是水下机器人在水下执行任务时与地面进行通讯的枢纽。本文利用USR-WIFI232模块以及电力线载波模块，将水下机器人采集的数据实时反馈到水面。通信的数据格式是实现整个算法的基础。因此，选择一种有效的数据交换格式是设计的关键。本文采用JSON数据格式，解决了不同平台对传感器数据的解析和生成等问题。　　2ROV远程通信设计　　2.1R

6、OV通信　　JSON（JavaScriptObjectNotation）是一种轻量级的数据交换格式。它基于ECMAScript的一个子集，采用完全独立于语言的文本格式，但也使用了类似于C语言家族的习惯（包括C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python等），易于阅读与编写，也易于机器解析和生成（一般用于提升网络传输速率）。这些特性使JSON成为理想的数据交换语言[3]。　　因此，ROV系统采用C语言编写的JSON通信格式（见图2），实时发送传感器数据到上位机。在各种软件平台（MATLAB、LABVIEW等）上，都有相应的SDK解析该格式的数据包，方便了用户

7、开发。　　2.2ROV编程解析　　USR-WIFI232-D2模组是一款一体化的802.11b/g/n8WiFi和以太网的模组，提供了一种将用户的物理设备连接到WiFi无线网络或以太网上，并提供USART数据传输接口的解决方案。通过该模组，传统的低端串口设备或MCU控制的设备可以很方便地接入WiFi无线网络或以太网，从而实现物联网络控制与管理[4]。　　网络编程发送的通信指令如下：　　{　　"motors"：{　　"set_motor1_speed"：0，　　"set