УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ РОБОТОМ
DEVICE FOR CONTROLLING UNDERWATER ROBOT

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления подводными роботами.
Известно устройство для управления движителем подводного робота, содержащее три сумматора, два из которых по входам соединены с задатчиками, последовательно соединенные блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также блок деления и блок вычисления модуля, причем выход второго сумматора соединен с первым входом блока деления, а его второй вход - с выходом блока умножения, выход датчика скорости соединен с первым входом блока умножения, входом блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход блока вычисления модуля соединен со вторым входом блока умножения и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора (см. пат. РФ №2147001, БИ №9, 2000 г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно, будучи предназначенным только для отдельного движителя подводного робота (ПР), не обеспечивает качественное управление ПР в целом во многих практически важных режимах его эксплуатации.
Известно также устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по входам соединены с первым и вторым задатчиками соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно соединенные усилитель и движитель, соединенный непосредственно с датчиком скорости, а также первый блок вычисления модуля, причем выход датчика скорости соединен с первым входом первого блока умножения, входом первого блока вычисления модуля и вторым входом первого сумматора, выход первого блока вычисления модуля соединен со вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные интегратор, четвертый сумматор, первый релейный элемент и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, последовательно соединенные второй блок вычисления модуля, блок извлечения квадратного корня и третий блок умножения, своим выходом соединенный со входом усилителя, а вторым входом через второй релейный элемент подключенный ко входу второго блока вычисления модуля и к выходу первого сумматора, четвертый вход которого соединен с выходом первого задатчика, причем второй вход третьего сумматора через квадратор подключен к выходу датчика скорости и второму входу четвертого сумматора, а его третий вход через третий блок вычисления модуля подключен ко входу интегратора и к выходу второго сумматора, своим вторым входом соединенного с выходом интегратора (см. пат. РФ №2230654, БИ №17, 2004 г.).
Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.
Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено только для отдельного канала управления движением ПР по одной из пространственных координат. При выполнении подводным роботом сложных маневров в водной среде качество управления существенно снижается из-за сильного взаимовлияния между степенями подвижности ПР и значительных внешних воздействий (сил и моментов вязкого трения). Прототип не обеспечивает требуемую точность при отслеживании сложных траекторий, так как не учитывает совокупное влияние перечисленных отрицательных факторов на динамические свойства ПР.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение высокой точности управления подводным роботом за счет компенсации нелинейных взаимосвязей в каналах управления и внешних воздействий, возникающих при быстром движении ПР в вязкой среде, когда одновременно изменяются несколько его пространственных координат.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительных управляющих сигналов, подаваемых на входы движителей каждого канала управления подводного робота, которые обеспечивают компенсацию отрицательного влияния на точность работы всей системы управления нелинейных взаимосвязей и внешних воздействий, возникающих при быстром движении ПР в вязкой среде по сложной траектории.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления подводным роботом, содержащее три сумматора, причем второй и третий сумматоры по первым входам соединены с первым и вторым задатчиками сигнала, соответственно, последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первый усилитель и первый движитель, а также второй блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход - к третьему входу первого сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные третий блок умножения, четвертый сумматор, второй усилитель и второй движитель, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, пятый сумматор, третий усилитель и третий движитель, первый, второй и третий датчики положения, выходы которых соединены со вторыми входами второго, третьего и пятого сумматоров, соответственно, второй и третий датчики скорости, выходы которых, соответственно, соединены со вторым входом четвертого сумматора, третий вход которого через четвертый блок умножения подключен к выходу второго сумматора и первому входу первого блока умножения, и с третьим входом пятого сумматора, а также синусный функциональный преобразователь, выход которого подключен ко вторым входам второго и четвертого блоков умножения, а вход - к выходу третьего датчика положения и входу косинусного функционального преобразователя, выходом соединенного со вторым входом первого блока умножения и с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения позволяют обеспечить неизменно высокую точность работы системы управления ПР в условиях сильного взаимовлияния между его степенями подвижности при учете дополнительных воздействий со стороны вязкой среды.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления подводным роботом.
Устройство для управления подводным роботом содержит три сумматора 1, 2 и 3, причем второй 2 и третий 3 сумматоры по первым входам соединены с первым 4 и вторым 5 задатчиками сигнала, соответственно, последовательно соединенные первый блок 6 умножения, первый сумматор 1, второй вход которого соединен с выходом первого датчика 7 скорости, первый усилитель 8 и первый движитель 9, а также второй блок 10 умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего сумматора 3, а выход - к третьему входу первого сумматора 1, последовательно соединенные третий блок 11 умножения, четвертый сумматор 12, второй усилитель 13 и второй движитель 14, последовательно соединенные третий задатчик 15 сигнала, пятый сумматор 16, третий усилитель 17 и третий движитель 18, первый 19, второй 20 и третий 21 датчики положения, выходы которых соединены со вторыми входами второго 2, третьего 3 и пятого 16 сумматоров, соответственно, второй 22 и третий 23 датчики скорости, выходы которых, соответственно, соединены со вторым входом четвертого сумматора 12, третий вход которого через четвертый блок 24 умножения подключен к выходу второго сумматора 2 и первому входу первого блока 6 умножения, и с третьим входом пятого сумматора 16, а также синусный функциональный преобразователь 25, выход которого подключен ко вторым входам второго 10 и четвертого 24 блоков умножения, а вход - к выходу третьего датчика 21 положения и входу косинусного функционального преобразователя 26, выходом соединенного со вторым входом первого блока 6 умножения и с первым входом третьего блока 11 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 3, объект управления 27.
вх
вх
вх
X
Y
x
y
x
y
φ
На чертеже введены следующие обозначения: x, y, φ - входные сигналы, задающие траекторию движения подводного робота и угол курса; X, Y, φ - линейные и угловая координаты ПР; ε, ε - ошибки (величины рассогласований) по координатам x и y, соответственно; υ, υ - проекции линейной скорости поступательного движения ПР на оси связанной с ним системы координат (СК); ω - угловая скорость вращательного движения ПР;  - усиливаемые сигналы в каждом канале управления ПР; u, u, u -сигналы управления движителями 9, 14 и 18, соответственно.
Устройство работает следующим образом.
x
y
вх
x
y
x
y
φ
Сигналы ошибок ε и ε с сумматоров 2 и 3, а также задающий входной сигнал φ с задатчика 15, после коррекции в сумматорах и блоках 1, 6, 11, 12 и 16, усиливаясь, поступают на движители 9, 14 и 18, соответственно, приводя во вращение гребные винты и осуществляя в результате движение подводного робота в заданной плоскости с соответствующим изменением линейных x, y и угловой φ координат в абсолютной СК. При этом проекции υ и υ линейной скорости движения ПР на оси связанной СК, а также его угловая скорость ω зависят от величин поступающих сигналов u, u, u, от сил и моментов вязкого трения, возникающих при движении ПР в жидкости, и от взаимовлияния между каналами управления по отдельным координатам.
Наличие указанных факторов приводит к снижению точности работы традиционных систем управления в большинстве режимов эксплуатации подводного робота.
При наличии динамического взаимовлияния между указанными тремя каналами управления и нейтральной плавучести ПР, динамика его движения в заданной плоскости описывается нелинейной системой, состоящей из трех дифференциальных уравнений второго порядка каждое:
f
m
y1
y2
y3
d1
d2
d3
где m, J - масса и момент инерции ПР (с учетом присоединенных массы и момента инерции жидкости), k, k - коэффициенты вязкого трения при поступательном и вращательном движении ПР, k, k, k - коэффициенты усиления усилителей мощности 8, 13 и 17, соответственно, k, k, k - коэффициенты усиления движителей 9, 14 и 18, соответственно.
Очевидно, что качественно управлять всеми режимами работы нелинейной многосвязной системы (1) при использовании традиционной линейной коррекции невозможно.
u
y
d1
f
u1
y1
d1
u
y2
d2
f
u1
y2
d2
φ
y3
d3
m
φ1
y3
d3
В заявляемом устройстве первый и третий положительные входы сумматора 1 (со стороны блоков 6 и 10 умножения, соответственно) имеют коэффициенты усиления km/(kk), а его второй положительный вход (со стороны датчика 7 скорости) - коэффициент усиления (k-km)/(kk). Первый положительный и третий отрицательный входы сумматора 12 (со стороны блоков 11 и 24 умножения, соответственно) имеют коэффициенты усиления km/(kk), а его второй положительный вход (со стороны датчика 22 скорости) - коэффициент усиления (k-km)/(kk). Первый положительный и второй отрицательный входы сумматора 16 (со стороны задатчика 15 и датчика 21 положения, соответственно) имеют коэффициенты усиления kJ/(kk), а его третий положительный вход (со стороны датчика 23 скорости) - коэффициент усиления (k-kJ)/(kk). Первый положительный (со стороны задатчика 4) и второй отрицательный (со стороны датчика 19 положения) входы сумматора 2, а также первый положительный (со стороны задатчика 5) и второй отрицательный (со стороны датчика 20 положения) входы сумматора 3 имеют единичные коэффициенты усиления.
x
вх
вх
x
y
x
x
Поскольку датчики 19 и 20 положения измеряют линейные координаты x и y подводного робота в абсолютной СК, соответственно, то на выходе сумматора 2 формируется сигнал ε=x-x, а на выходе сумматора 3 - сигнал ε=y-y. Поскольку датчик 21 положения измеряет угол φ курса ПР, то с учетом преобразования его выходного сигнала в блоках 25 и 26 на выходах блоков 6, 10, 11 и 24 умножения формируются сигналы εcosφ, εsinφ, scosφ и εsinφ, соответственно.
х
y
Датчики 7 и 22 скорости измеряют величины υ и υ, соответственно. Поэтому с учетом указанных выше коэффициентов усиления входов сумматоров 1 и 12 на их выходах, соответственно, будут сформированы сигналы:
Поскольку датчик 23 скорости измеряет угловую скорость со движения ПР, то на выходе сумматора 16 с учетом коэффициентов усиления всех его входов будет сформирован сигнал:
Подставив значения  из соотношений (2)-(4) в уравнения системы (1), после преобразований получим выражения, описывающие динамику движения ПР с учетом введенной коррекции:
, , ,
u
u1
φ
φ1
где k, k, k, k - постоянные желаемые параметры.
u
u1
φ
φ1
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает полную компенсацию воздействий на ПР со стороны вязкой среды и эффектов взаимовлияния между каналами управления каждой его координатой. Система управления подводным роботом в целом в любых режимах работы будет иметь требуемые (желаемые) динамические свойства и показатели качества, определяемые только коэффициентами k, k, k, k, задаваемыми на этапе проектирования управляющего устройства.