本发明属于水下机械辅助设备领域，特别涉及一种用于水下作业机器人的俯仰姿态调节装置。
背景技术：
1、目前无人遥控潜水器(rov)已经被广泛应用于了海洋探索、水下检测和水下救援等领域。
2、当rov沿水平面进行航行动作时，由于不均衡的推力和水流阻力会在rov的竖直方向上产生额外的分力，从而导致rov的浮心发生偏移，进而导致其俯仰姿态的稳定受到影响，产生俯仰姿态角偏离预期的现象。这种不稳定的俯仰姿态会严重干扰rov在航行时的正常工作状态，降低rov在航行时的工作效率。
3、为了能让rov在航行时仍然能保持俯仰姿态的稳定，本发明提出了一种用于水下作业机器人的俯仰姿态调节装置，本装置由俯仰姿态稳定模块、姿态感知模块和核心控制模块构成，俯仰姿态稳定模块包括执行机构、舵面。本装置可作为辅助装置可独立安装于rov上。rov沿水平面航行，若核心控制模块判断rov俯仰姿态发生不符合预期的变化时，核心控制模块根据保存的预期俯仰姿态角与姿态感知模块输出的实际俯仰姿态角使用改进型pid算法解算出俯仰姿态稳定模块舵面的旋转方向与旋转角度，控制俯仰姿态稳定模块的执行机构，调节舵面与水流方向的夹角，从而平衡rov航行时竖直方向上产生的分力，补偿rov偏移的浮心，辅助rov保持俯仰姿态的稳定。
技术实现思路
1、本发明涉及一种用于水下作业机器人的俯仰姿态调节装置，本发明作为辅助装置可独立安装于rov上，用以平衡rov沿水平面航行时产生的竖直分力，补偿rov偏移的浮心，从而稳定rov在沿水平面航行时的俯仰姿态。
2、本发明的技术方案：
3、一种用于水下作业机器人的俯仰姿态调节装置，包括核心控制模块、姿态感知模块和俯仰姿态稳定模块；
4、核心控制模块为搭载有微控制器的电路板，其中保存有rov的预期俯仰姿态角、俯仰姿态正角度偏离容忍值、俯仰姿态负角度偏离容忍值、p参数、i参数和d参数；计算从姿态感知模块获取的rov实际俯仰姿态角与保存的rov的预期俯仰姿态角之间的差值，若差值的绝对值大于保存的rov的俯仰姿态正角度偏离容忍值和俯仰姿态负角度偏离容忍值的绝对值，则将差值输入到改进的pid算法中，根据设置的p参数、i参数、d参数解算出俯仰姿态稳定模块舵面的旋转方向与旋转角度，使用定制的通信数据帧将旋转方向与旋转角度打包生成俯仰姿态稳定模块的控制指令；若差值绝对值小于保存的rov的俯仰姿态正角度偏离容忍值和俯仰姿态负角度偏离容忍值的绝对值，则不对俯仰姿态稳定模块的控制指令做出更新；
5、姿态感知模块包括惯性传感器和惯性传感器的控制电路，其中惯性传感器用于获取rov实际俯仰姿态角数据，惯性传感器的控制电路用于把rov实际俯仰姿态角传输至核心控制模块；
6、俯仰姿态稳定模块包括执行机构和舵面，其中，舵面连接于执行机构上；执行机构接收核心控制模块传输的控制指令，从定制的通信数据帧中读取舵面的旋转角度和旋转方向，驱动舵面向指定方向旋转指定角度。
7、进一步地，所述改进的pid算法在标准pid算法的基础上引入了误差前馈控制、积分项抗饱和微分项低通滤波器，改善了系统的响应速度。
8、进一步地，所述定制的通信数据帧由起始位、指令说明位、指令来源位、数据报文、校验位组成；其中，起始位使用一个字节标记通信数据帧的起始位置，指令说明位使用一个字节用于标记此字段用于控制舵面旋转方向和旋转角度，指令来源位使用一个字节用于标记此字段来自核心控制模块，数据报文使用六个字节封装舵面的旋转方向和旋转角度，最后使用一个字节用于使用字段前九个字节生成crc8校验字节，字段总计十个字节。
9、进一步地，核心控制模块生成俯仰姿态稳定模块的控制指令的具体过程是：核心控制模块生成保存的rov预期俯仰姿态角，实时获取姿态感知模块传输的rov实际俯仰姿态角数据，更新rov实际俯仰姿态角数据；计算rov实际俯仰姿态角数据与rov预期俯仰姿态角的差值，若差值为正值且大于俯仰姿态正角度偏离容忍值，则判断rov俯仰姿态发生正角度不符合预期的变化，将差值输入到改进型pid算法中，根据设置的p参数、i参数、d参数解算出俯仰姿态稳定模块的舵面需要顺时针旋转与旋转的角度，将输出的舵面顺时针旋转和旋转度数的命令封装进定制的通信数据帧中；若差值为负值且小于俯仰姿态负角度偏离容忍值，则判断rov俯仰姿态发生负角度不符合预期的变化，解根据设置的p参数、i参数、d参数解算出俯仰姿态稳定模块的舵面需要逆时针旋转与旋转的角度，将输出的舵面逆时针旋转和旋转度数的命令封装进定制的通信数据帧中。
10、进一步地，核心控制模块以某一频率接收姿态感知模块的rov实际俯仰姿态信息。
11、进一步地，核心控制模块以某一频率发送俯仰姿态稳定的控制指令。
12、进一步地，执行机构接收核心控制模块传输的控制指令，从定制的通信数据帧中读取舵面的旋转角度和旋转方向，驱动舵面向指定方向旋转指定角度的具体过程为：执行机构获取核心控制模块的控制指令，从定制的通信数据帧中读取舵面的旋转方向与旋转角度信息，若旋转方向为顺时针，则驱动舵面向顺时针方向旋转指定角度；若旋转方向为逆时针，则驱动舵面向逆时针方向旋转指定角度。
13、进一步地，核心控制模块、姿态感知模块、俯仰姿态稳定模块的执行机构安装于方形刚性容器中。
14、进一步地，主体结构侧面和底层均设计有安装孔，所述装置可通过安装孔安装于rov的平面上。
15、本发明的有益效果：
16、(1)本发明可根据rov沿水平面航行时所产生的俯仰角变化自动辅助平衡rov竖直方向上的分力，补偿rov偏移的浮心，从而保持rov的俯仰姿态稳定，提高rov沿水平航行时的工作效率。
17、(2)本发明可作为辅助装置独立安装于rov上，结构简单，易于维护，可靠性高，可根据rov的具体任务需要安装和拆卸。
18、基于上述理由本发明可在水下机械辅助设备等领域广泛推广。
1.一种用于水下作业机器人的俯仰姿态调节装置，其特征在于，该装置包括核心控制模块、姿态感知模块和俯仰姿态稳定模块；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述改进的pid算法在标准pid算法的基础上引入误差前馈控制、积分项抗饱和微分项低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定制的通信数据帧主要由起始位、指令说明位、指令来源位、数据报文和校验位组成；其中，起始位使用一个字节标记通信数据帧的起始位置，指令说明位使用一个字节用于标记此字段用于控制舵面旋转方向和旋转角度，指令来源位使用一个字节用于标记此字段来自核心控制模块，数据报文使用六个字节封装舵面的旋转方向和旋转角度，最后使用一个字节用于使用字段前九个字节生成crc8校验字节，字段总计十个字节。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，核心控制模块生成俯仰姿态稳定模块的控制指令的具体过程是：核心控制模块生成保存的rov预期俯仰姿态角，实时获取姿态感知模块传输的rov实际俯仰姿态角数据，更新rov实际俯仰姿态角数据；计算rov实际俯仰姿态角数据与rov预期俯仰姿态角的差值，若差值为正值且大于俯仰姿态正角度偏离容忍值，则判断rov俯仰姿态发生正角度不符合预期的变化，将差值输入到改进型pid算法中，根据设置的p参数、i参数、d参数解算出俯仰姿态稳定模块的舵面需要顺时针旋转与旋转的角度，将输出的舵面顺时针旋转和旋转度数的命令封装进定制的通信数据帧中；若差值为负值且小于俯仰姿态负角度偏离容忍值，则判断rov俯仰姿态发生负角度不符合预期的变化，解根据设置的p参数、i参数、d参数解算出俯仰姿态稳定模块的舵面需要逆时针旋转与旋转的角度，将输出的舵面逆时针旋转和旋转度数的命令封装进定制的通信数据帧中。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，核心控制模块以某一频率接收姿态感知模块的rov实际俯仰姿态信息。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，核心控制模块以某一频率发送俯仰姿态稳定的控制指令。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，执行机构接收核心控制模块传输的控制指令，从定制的通信数据帧中读取舵面的旋转角度和旋转方向，驱动舵面向指定方向旋转指定角度的具体过程为：执行机构获取核心控制模块的控制指令，从定制的通信数据帧中读取舵面的旋转方向与旋转角度信息，若旋转方向为顺时针，则驱动舵面向顺时针方向旋转指定角度；若旋转方向为逆时针，则驱动舵面向逆时针方向旋转指定角度。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，核心控制模块、姿态感知模块、俯仰姿态稳定模块的执行机构安装于刚性容器中。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，刚性容器的侧面和底层均设计有安装孔，所述装置通过安装孔安装于rov的平面上。
