一种小型船用六自由度稳定系统及方法与流程

本发明涉及探测领域，尤其涉及一种小型船用六自由度稳定系统及方法。

背景技术：

1、现阶段，海缆施工和运维面临以下两个问题：一是在施工过程中，对于电缆在水下的一些施工器械的准确位置和电缆的准确位置，实际上比较难判别，且存在较多的影响因素；二是海缆在浅滩环境下，存在着“人下不去，船上不来”的窘状，对近海浅滩处海缆的施工和运维造成了较大影响。

2、海底电缆的运行环境不同于陆地电缆，存在环境复杂多变、影响因素众多的特点，运维人员无法直接深入水下对其进行检修维护，需要借助专业的探测工具完成海底电缆运行环境的扫测工作以及海底电缆本体运行状态的巡检工作。这些专业探测工具通常都需要搭载到专门的勘测平台来完成具体探测工作。

3、传统的海洋探测工作通常以科考船、浮标和潜标作为搭载平台。目前，传统的调查平台在环境复杂、工况恶劣的水域作业有较大的局限性。由于海况复杂，船只通常无法较好的维持自身的稳定性，进而影响所搭载传感器的传感精度。因此，开展通过船载稳定平台实时修正姿态，保证搭载的传感器姿态始终保持恒定。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种小型船用六自由度稳定系统及方法，以保证搭载的传感器姿态始终保持恒定的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

2、一种小型船用六自由度稳定系统，包括姿态感知模块、运动控制模块、运动执行模块及六自由度稳定平台；

3、姿态感知模块：包括惯性测量单元，实时采集船只的运行状态用于实现对六自由度稳定平台的控制；

4、运动控制模块：包括姿态运算系统、运动控制卡与电机驱动器组成，将姿态感知模块传递的船只的姿态变化量作为控制量，并将控制信息下发给运动执行模块；

5、运动执行模块：包括电动缸、减速机和伺服电机，受运动控制模块驱动以控制六自由度稳定平台；

6、六自由度稳定平台，包括上平台和下平台，上平台是有效载荷的安装基面，其提供六自由度的摇摆运动；下平台是六自由度运动平台的安装基面，上平台和下平台之间并联连接六个电动缸；电动缸与上、下平台之间铰连接，六个电动缸在缸轴向方向作线性移动，上平台通过六个电动缸的协调动作来实现六自由度的运动；下平台安装在船只内部的声学换能器专用管道中，以确保下平台与船体的位置关系固定，而上平台则需要进入水中，整个六自由度平台保持基座在上，上平台在下的方向。

7、通过使用惯性测量单元，可以实时、高精度地采集船只的运行状态，为六自由度稳定平台的控制提供准确的数据。用姿态运算系统、运动控制卡和电机驱动器组成的运动控制模块，能够快速响应船只的姿态变化，并精确控制六自由度稳定平台，确保平台的稳定性。利用电动缸、减速机和伺服电机组成的运动执行模块，可以精确地驱动六自由度稳定平台，实现所需的运动。六自由度稳定平台的设计允许上平台提供六自由度的摇摆运动，满足各种复杂的水下探测和定位需求。下平台通过声学换能器专用管道安装于船只内部，确保与船体的位置关系固定。上平台则需要进入水中，这种设计使得六自由度平台既稳固又灵活。系统将姿态感知、运动控制和运动执行集成在一个紧凑的六自由度稳定平台上，减少了系统的复杂性和体积，提高了集成度和可靠性。

8、作为优选技术手段：姿态感知模块的惯性测量单元固定在六自由稳定平台的下平台，以实时测量下平台与船体的姿态信息。惯性测量单元可以精确地测量下平台与船体的姿态信息，避免了使用其他传感器可能存在的误差和延迟问题。由于惯性测量单元是固定在六自由度稳定平台的下平台上，因此不会受到船体运动的影响，保证了测量的稳定性。

9、作为优选技术手段：姿态运算系统使用基于牛顿法的数值迭代方法，逼近求解六自由度运动平台的平台姿态。牛顿法是一种高效的数值分析方法，对于非线性方程的求解具有很高的精度，能够准确地逼近求解六自由度运动平台的平台姿态。基于牛顿法的数值迭代方法具有快速收敛的特性，能够在较短的时间内逼近到精确解，提高姿态运算的实时性。能够处理复杂的非线性方程，适用于各种复杂的姿态运算问题，具有广泛的适用性。基于牛顿法的数值迭代方法易于与其他算法或系统集成，方便进行算法的改进或扩展。由于采用了数值迭代方法，可以避免一些传统算法可能出现的局部极值或不稳定解的问题，提高姿态运算的稳定性。可以根据需要进行参数调整或修改迭代过程，以满足不同应用场景的需求。基于牛顿法的数值迭代方法相对简单，易于在计算机上实现，方便进行算法的开发和调试。该方法基于数学原理，具有很强的可解释性，方便对姿态运算过程的理解和分析。对计算资源和存储资源的需求相对较低，适合在资源有限的环境下使用。

10、作为优选技术手段：牛顿法的基本原理是将非线性方程组转化为线性方程组，求出近似解，然后在近似解基础上进一步迭代，逐步逼近非线性方程组真解。通过迭代的方式逐步逼近非线性方程组的真解，具有较高的计算精度。在合适的初始解和迭代步长下，牛顿法的收敛速度较快，可以减少迭代次数和计算时间。相对于其他一些数值方法，牛顿法具有较好的数值稳定性和鲁棒性。

11、作为优选技术手段：还包括人机交互模块，所述的人机交互模块设多种控制模式以根据使用场景进行切换，控制模式包括有姿态控制模式、固定动作脚本运动模式、手动控制模式和轨迹规划模式。通过多种控制模式的切换，用户可以根据实际使用场景选择最适合的控制方式，提高了系统的灵活性和适应性。用户可以根据自己的习惯和需求选择控制模式，降低了使用难度，提高了操作的简便性。姿态控制模式和固定动作脚本运动模式可以自动化执行一些预设动作或任务，减轻了用户的操作负担，提高了工作效率。手动控制模式和轨迹规划模式允许用户进行更精细的控制和规划，提高了系统的精确度和准确性。通过多种控制模式的切换，可以在不同场景下采取不同的控制策略，提高了系统的安全性和稳定性。

12、作为优选技术手段：运动控制模块采用基于ethercat总线的控制方案。ethercat总线的控制方案具有布线简单、系统稳定，而ethercat的冗余技术更加保证了系统的稳定性、安全性。ethercat的分布时钟机制保证了六自由度平台各个轴的同步联动一致性，大大提高了平台的运动精度。

13、本发明的另一个目的是提供一种六自由度稳定方法，六自由度稳定方法包括以下步骤：

14、1)安装在基座的惯性测量单元实时测量船只的三轴角速度和三轴加速度信息并发送给运动控制模块，六个伺服电机编码器分别解算出六个电动缸的长度信息并发送给运动控制模块；

15、2)运动控制模块接收到姿态感知模块发送的原始姿态信息后，解算出六自由度稳定系统实时的详细参数；

16、3)运动控制模块结合六自由度稳定系统的各姿态参数计算出控制信号并下达给运动执行模块；

17、4)运动执行模块通过接收运动控制模块下达的控制信号，驱动伺服电机改变电动缸缸长，以实现运动平台的六个自由度的运动，以确保搭载的声学换能器始终处于水平姿态。

18、通过使用惯性测量单元实时测量船只的姿态信息，系统能够快速响应船只姿态的变化，提高了控制的实时性。通过解算伺服电机编码器发送的电动缸长度信息，系统能够精确地控制六自由度稳定平台的运动，提高了定位和姿态控制的精度。采用了闭环控制，通过实时监测和调整电动缸的长度，确保六自由度稳定平台始终保持稳定的姿态，提高了系统的稳定性。

19、作为优选技术手段：在步骤2)中，通过将姿态感知模块传递的信息进行解算，获得当前下平台的实时状态信息；通过将伺服电机编码器解算出的六个电动缸的长度信息进行求解正向运动学解获得六自由度稳定系统的上平台实时姿态信息。通过解算姿态感知模块传递的信息和伺服电机编码器解算出的电动缸长度信息，系统能够精确地计算出六自由度稳定系统的实时状态和姿态，提高了控制的精确性。由于采用了实时监测和快速响应的算法，系统能够实时地获取和处理姿态信息，快速地调整六自由度稳定系统的姿态，提高了控制的实时性。通过正向运动学解的求解，系统能够精确地预测和控制六自由度稳定系统的姿态变化，提高了系统的稳定性和控制精度。

20、作为优选技术手段：在步骤3)中，运动控制模块通过求解得到上平台实时姿态，结合下平台的实时姿态计算出期望的输出姿态，通过求解运动学反解的方法求得六只电动缸期望伸出的长度信息，并发送给运动执行模块。通过实时计算和调整电动缸的长度信息，系统能够快速地实现六自由度稳定平台的姿态调整，提高了控制的高效性。通过求解运动学反解的方法，系统能够精确地计算出六只电动缸期望伸出的长度信息，提高了控制的精确性。结合上下平台的实时姿态信息，系统能够更加稳定地控制六自由度稳定平台的运动，提高了系统的稳定性。

21、作为优选技术手段：在步骤4)中，运动执行模块接收到运动控制模块发送的电动缸期望长度信息后，通过伺服控制单元驱动六个电动缸进行伸缩运动，从而实现六自由度平台的姿态控制。伺服控制单元能够快速地响应运动执行模块的指令，驱动电动缸进行伸缩运动，提高了控制的效率。由于伺服控制单元具有高精度控制能力，可以确保电动缸的伸缩运动精确地实现所需的姿态调整，提高了控制的精确性。伺服控制单元具有优秀的抗干扰能力和稳定性，能够保证六自由度平台在各种环境下的稳定姿态控制。伺服控制单元具有长寿命、低故障率等特点，能够保证系统长时间稳定运行，提高了系统的可靠性。使用伺服控制单元进行电动缸的驱动和控制，可以简化系统的设计和实现，降低研发和生产成本。

22、有益效果：本技术方案解决在传统海洋探测工作中由于海况复杂，工况恶劣而导致的船只无法很好维持自身稳定性，进而影响所搭载传感器的传感精度的问题。本技术方案可以实时修正六自由度稳定平台的姿态，保证搭载的传感器姿态始终保持恒定。