說明書摘要本發(fā)明涉及一種水聲全驅(qū)動式水下機(jī)器人的分布控制器結(jié)構(gòu)及滯后補償?shù)膶崟r控制方法，該水聲全驅(qū)動式機(jī)器人的分布式控制器包括：岸邊控制器（控制器1）和水下控制器（控制器2）；二者通過水聲通信模塊進(jìn)行通信；設(shè)計一種控制器之間通信時滯補償方法和通信協(xié)議，通過計算通信時延并利用計算得到的時滯進(jìn)行控制律的設(shè)計，能有效防止控制指令滯后的現(xiàn)象，提高控制的實時性。控制器1和控制器2都設(shè)有電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊（電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊1、2），其中電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊1將岸邊220VAC電源轉(zhuǎn)化為控制器1電路板需要的5VDC工作電壓岸邊控制器可通過自帶的24VDC鋰電池進(jìn)行供電，220VAC和24VDC供電通過切換開關(guān)進(jìn)行切換供電；電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊2將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓為水下電機(jī)和控制器2所需的工作電壓?？刂破?實時采集岸邊控制器控制面板的遙控控制指令，并將控制指令按照自定義的通信協(xié)議進(jìn)行編碼和組裝成幀，經(jīng)由通信模塊發(fā)送到水下控制器2；水下控制器2接收岸邊控制器1發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照協(xié)議格式解析出控制指令，然后計算水聲通信時間滯后，并結(jié)合機(jī)器人的實時運動姿態(tài)進(jìn)行控制補償，得出實時的控制量，進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，從而實現(xiàn)對水下機(jī)器人運動和姿態(tài)的控制。本發(fā)明通過水聲通信方式實現(xiàn)機(jī)器人兩個控制器之間的通信，通過時延補償控制方法的設(shè)計保證控制的時效性，水下通信距離可達(dá)

2000米，能夠?qū)崿F(xiàn)水下機(jī)器人的大范圍、高精度運動和姿態(tài)控制。摘要附圖電源信號電壓轉(zhuǎn)換與I-- ~ ■?…-穩(wěn)壓電路2II日I P岸邊控制器 | | 水下控制器I一一一一 ________I水聲全驅(qū)動式水下機(jī)器人分布式控制結(jié)構(gòu)權(quán)利要求書一種水聲全驅(qū)動式控制機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)及控制方法，包括控制硬件結(jié)構(gòu)、基于自定義控制協(xié)議的控制方法?？刂朴布糜诎哆吙刂葡鋬?nèi)的控制器1和置于水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)的控制器2兩部分，二者通過水聲modem進(jìn)行通信。控制器2按照自定義的協(xié)議格式解析出控制器1發(fā)送的控制指令，進(jìn)行推進(jìn)器控制。根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器1實時采集岸邊控制器控制面板的遙控控制指令，并將控制指令按照自定義的通信協(xié)議進(jìn)行編碼和組裝成幀，經(jīng)由水聲通信模塊發(fā)送到水下控制器2；根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器2實時接收岸邊控制器1發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照協(xié)議格式解析出控制指令，進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，繼而驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，從而實現(xiàn)對水下機(jī)器人運動姿態(tài)的控制；根據(jù)權(quán)利要求1所述的水聲通信傳輸設(shè)備，用于水下機(jī)器人控制器和岸邊控制器間的相互通信，主要由RS485通信模塊和水聲modem組成。根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器2還包括繼電器驅(qū)動器模塊，其接收控制器2解析的控制指令，控制繼電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，從而驅(qū)動相應(yīng)位置的推進(jìn)電機(jī)工作。繼電器驅(qū)動器模塊，由推進(jìn)電機(jī)2倍數(shù)量的繼電器和保護(hù)電路組成，完成對相應(yīng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。針對全驅(qū)動機(jī)器人的6自由度控制，設(shè)計一種自定義的通信協(xié)議，該協(xié)議由幀頭、控制命令字、發(fā)送時間和CRC檢測字節(jié)組成?？刂破?按照協(xié)議格式解析出控制器1發(fā)送的速度控制指令。協(xié)議幀頭和發(fā)送時間均由1個字節(jié)組成?？刂泼钭钟?個字節(jié)組成，其相應(yīng)低4位數(shù)據(jù)位(從右至左)分別代表左側(cè)水平推進(jìn)其、右側(cè)水平推進(jìn)器、左側(cè)垂直推進(jìn)器和右側(cè)垂直推進(jìn)器，高4為保留，默認(rèn)為全0。發(fā)送時間記錄該數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時刻，通過接收該數(shù)據(jù)幀的接收時刻進(jìn)行比較，得出水聲通信時延，通過對該滯后時間進(jìn)行時間補償，得到實時的速度控制命令u(k-T1)=(x(k+1)-x(k))/T2，其中x(k)=[xx(k),xy(k),xz(k)]T表示k時刻機(jī)器人在X、Y、Z三個方向的運動狀態(tài)，L為計算得到的通信時延，T2為速度控制量的持續(xù)作用時間，u(k-T1)^k-T1時刻的速度控制量，為x、y、z三個方向的推進(jìn)速度，可以通過推進(jìn)力實驗推進(jìn)電機(jī)的推進(jìn)合力和推進(jìn)速度之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行確定，實時速度通過機(jī)器人攜帶的多普勒測速儀獲得，從而可以得到k+1時刻的機(jī)器人的運動狀態(tài)x(k+1)=x(k)+u(k-T1)T2這樣就可以實現(xiàn)機(jī)器人的高精度運動狀態(tài)控制。循環(huán)冗余檢測(CRC)由2個字節(jié)組成，控制器2通過CRC檢測算法計算出檢測位的值，并與接收到的CRC值進(jìn)行對比，完成對數(shù)據(jù)幀的差錯檢測，出現(xiàn)錯誤則丟棄該數(shù)據(jù)包。說明書一種水聲全驅(qū)動式水下機(jī)器人的分布控制器結(jié)構(gòu)及控制方法技術(shù)領(lǐng)域涉及一種全驅(qū)動式水聲通信方式的水下機(jī)器人控制方法，屬于水下機(jī)器人控制領(lǐng)域。背景技術(shù)水下機(jī)器人控制器一般采用集中控制方式，僅在水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)設(shè)有一個控制器，通過多芯臍帶電纜將岸上的控制命令發(fā)送到水下控制器進(jìn)行采集，搖桿狀態(tài)與電纜的芯數(shù)相對應(yīng)，這樣會增加臍帶電纜的重量，對水下機(jī)器人的姿態(tài)控制帶來了外界不利影響。另一方面，供電方式多采用岸邊220VAC電源直接供電方式，通過臍帶電纜為水下機(jī)器人供電，水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)設(shè)有電壓轉(zhuǎn)換模塊；但由于交流電會對通信質(zhì)量帶來影響，使通信誤碼率較高，水下推進(jìn)器出現(xiàn)誤動作的幾率較高，采用485通信和光纜的有纜控制方式，雖然傳輸較遠(yuǎn)，但傳輸距離收到臍帶電纜長度和重量的限制，傳輸距離有限。另外，若岸邊直接轉(zhuǎn)換為水下機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)所需的24VDC工作電壓，則電壓在傳輸過程中由于電容效應(yīng)會出現(xiàn)壓降，達(dá)不到水下電機(jī)的正常工作電壓。本專利，岸邊控制器電源為220VAC和24VDC鋰電池雙供電，通過開關(guān)進(jìn)行切換，并通過AC-DC和DC-DC穩(wěn)壓模塊進(jìn)行輸出；水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)的控制器為24VDC鋰電池供電，通過穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。為此，本發(fā)明旨在針對水下大范圍使用的水聲遙控式機(jī)器人控制，提供一種分布式的水聲遙控機(jī)器人控制方法，通過時間戳計算通信時延，并通過時間補償方法計算補償后的控制律進(jìn)行機(jī)器人的實時控制。發(fā)明內(nèi)容設(shè)計一種水聲通信的水下機(jī)器人控制方法，水下控制器1在數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間字段記錄該數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時刻，水下控制器2接收該數(shù)據(jù)幀時，記錄接收時刻，兩者時間相減，得出水聲通信滯后時間，并對該滯后時間帶入到速度控制算法中進(jìn)行時間補償，得到實時的控制命令，有利于機(jī)器人的高精度運動控制，該方法可用于遠(yuǎn)距離、無纜實時遙控水下機(jī)器人，實現(xiàn)水下機(jī)器人運動的6自由度精確控制。所述水下遙控機(jī)器人控制硬件包括置于岸邊控制箱內(nèi)的控制器1和置于水下機(jī)器人儀器艙內(nèi)的控制器2兩部分，如圖1所示。控制器1，如圖2所示，實時采集岸邊控制器控制面板的遙控控制指令，并將控制指令按照自定義的通信協(xié)議進(jìn)行編碼和組裝成幀，經(jīng)由水聲modem通信模塊發(fā)送到水下控制器2；控制器2,如圖2所示，實時接收岸邊控制器1發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照協(xié)議格式解析出控制指令，進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，繼而驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，從而實現(xiàn)對水下機(jī)器人運動的控制;該控制器1和控制器2還包括有串口通信模塊和水聲收發(fā)模塊，所述的串口通信模塊主要由串口通信芯片MAX485構(gòu)成，水聲收發(fā)模塊由水聲modem組成。用于控制器1和控制器2間的相互通信。所述的電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊1單元包含：電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路，用于將岸上電源進(jìn)行AC-DC電壓轉(zhuǎn)換和低壓差線性穩(wěn)壓的兩級電壓轉(zhuǎn)換，從而為電路提供穩(wěn)定的工作電壓；電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊2,用于將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為水下機(jī)器人所需工作電壓，為控制器2和機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)提供必需的工作電壓。所述水下機(jī)器人控制器之間的通信協(xié)議，如圖4所示，其特征在于其采用一種自定義的通信協(xié)議幀，控制器2按照協(xié)議格式解析出控制器1發(fā)送的控制指令。協(xié)議幀頭和幀尾均由1個字節(jié)組成?？刂泼钭钟?個字節(jié)組成，其相應(yīng)低4位數(shù)據(jù)位（從右至左）分別代表左側(cè)水平推進(jìn)其、右側(cè)水平推進(jìn)器、左側(cè)垂直推進(jìn)器和右側(cè)垂直推進(jìn)器，高4為保留，默認(rèn)為全0。循環(huán)冗余檢測（CRC）也由1個字節(jié)組成，控制器2通過CRC檢測算法計算出檢測位的值，并與接收到的CRC值進(jìn)行對比，完成對數(shù)據(jù)幀的差錯檢測，出現(xiàn)錯誤則丟棄該數(shù)據(jù)包。附圖說明圖1是提出的水聲全驅(qū)動水下機(jī)器人分布式控制器結(jié)構(gòu)圖；圖2是提出的岸邊控制器（控制器1）結(jié)構(gòu)圖；圖3是提出的水下控制器（控制器2）結(jié)構(gòu)圖。圖4是提出的自定義通信協(xié)議格式。具體實施方式分布式控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂破?和控制器2的電路工作電壓為5VDC。工作電壓由電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊1、2分別提供。電壓模塊單元通過穩(wěn)壓電路的兩級穩(wěn)壓，分別為AC-DC電壓轉(zhuǎn)換和低壓差線性穩(wěn)壓的電壓轉(zhuǎn)換，為裝置提供穩(wěn)定的工作電壓?？刂破?接收操作指令并通過控制器2控制著整個機(jī)器人的工作狀態(tài)，采用低功耗的單片機(jī)AVRMega16為控制芯片。在裝置上電時，控制器1首先檢測其他各個單元的狀態(tài)，然后啟動通信模塊，與控制器2進(jìn)行通信連接?？刂破?按一定時間間隔采集單片機(jī)AVRMega16端口的遙控柄開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并按照自定義的協(xié)議幀格式，如圖4所示，進(jìn)行打包組裝成幀，然后通過485通信模塊和水聲modem發(fā)送到控制器2。本發(fā)明提供一種采用自定義通信協(xié)議實現(xiàn)分布式控制的控制方法。具體為：控制器2實時接收控制器1發(fā)送的協(xié)議幀，并進(jìn)行協(xié)議解碼，按照自定義的協(xié)議格式的相應(yīng)位解析出控制指令，使用狀態(tài)觀測器檢測機(jī)器人的實時運動姿態(tài)，并結(jié)合收到的控制命令，對控制量進(jìn)行一定的補償，獲得最新的補償后的控制量，進(jìn)而利用該控制量控制繼電器驅(qū)動板上的對應(yīng)的繼電器的開關(guān)動作，從而實現(xiàn)對水下機(jī)器人的前進(jìn)、后退、上升、下潛、左右旋轉(zhuǎn)等運動控制。例如，控制器2接收到控制命令字為******XX，只需檢測最后兩位的狀態(tài)，如果后兩位全為1，則為前進(jìn)指令；如果后兩位全為0，則為后退指令；******10則為左旋指令，******01則為右旋指令。接收到上升和下沉指令時，控制命令字為****乂乂**，只需檢測第3和第