[发明专利]水下清洗作业机器人未知环境路径规划方法

说明书

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及一种水下机器人未知环境路径规划方法，特别适用于水下复杂未知环境下的清洗作业机器人的路径规划。

技术背景

随着科学技术的不断发展，机器人在工业自动化领域中的应用日趋广泛，例如各种工业机器手，工业自动化生产线等。但是当需要围绕较大的目标主体进行作业时，固定式工业机器手和自动化生产线将不能满足要求，此时工业移动机器人以其具有大范围的活动能力的优点将可以完成任务。

然而，移动机器人如何运动以及选取怎样的路径运动以满足现场作业的要求又成为了工业作业任务完成的关键。工业现场的环境复杂，各种设备、管道、线路等就成为了阻碍机器人运动的障碍物，因此机器人很重要的一个任务是在运动过程中要避开各种障碍物并且尽快达到目的地。不仅如此，许多复杂的工业作业任务的环境是在水下，比如清洗火电厂的大型冷凝设备、清洗化工厂的排污设配、清洗自来水厂净化设备等。这些水下作业清洗任务直接关系到企业的节能程度和污水处理能力，然而进行人工清洗不但效率低而且必须将水排尽，这样便产生了大量水资源的浪费，因此水下清洗机器人的需要则更为迫切。

本专利提出的水下清洗作业机器人未知环境路径规划方法是在专利“冷凝器铜管二关节式在线清洗机器人”(公开号CN1945196)和“凝汽器智能移动清洗机器人”(CN101430176A)的基础上，以类似的机器人作为被控对象，提出一种路径规划方法，并推广到工业现场的水下作业领域。在复杂的水下环境中作业，需要更加提高移动机器人运动时的安全防范策略以及运动的精确性。例如水流速度、冲击力、压强等不确定环境因素在机器人路径规划控制中引入了很强的干扰和随机性，导致常规规划方法难以实现最佳的控制和高精度的定位。另外，因为工业现场设备的不规则，使得机器人如何处理复杂障碍例如U型障碍、对称障碍等也将是评价水下清洗机器人路径导航规划性能的关键。因此，如何设计一种快速、高精度、高可靠性、实时性强、具有实际操作性的水下清洗作业机器人未知环境路径规划方法是解决安全高效的水下工业清洗作业的关键难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供了一种水下清洗作业机器人未知环境路径规划方法。本路径规划方法可以实现在水下对机器人稳定性的控制、高效避障、快速完成规划，使机器人更趋于类人化、灵活化，同时可以处理U型陷阱障碍和复杂对称障碍问题，使机器人不会在U型障碍中无法脱离。

本发明的所采用的具体技术方案是：

一种水下清洗作业机器人未知环境路径规划方法，其特征在于，包含下述步骤：

1)通过加速度传感器测量值a(t)和陀螺仪角加速度传感器的测量值b(t)计算得到机器人当前运动速度V、机器人当前位置与目标点的距离D、机器人姿态角ω₁以及机器人姿态方位与目标方位的夹角Δω；同时通过水下激光测距传感器直接测量得到机器人距离障碍物的距离S和机器人前进方向与障碍物所构成的方位夹角Φ；

2)将D、ω₁、Δω、V进行模糊化处理后分别形成模糊变量D_F、ω_1F、ω_F、V_F并作为第一模糊控制器的输入变量；将S、Φ进行模糊化处理后分别形成模糊变量S_F、Φ_F作为第二模糊控制器的输入变量；

ω₁和Δω的论域均为[-180，180]°，Φ的论域为[-90，90]°，其中符号为负表示在逆时针旋转产生的夹角，符号为正表示顺时针旋转产生的夹角；对应的模糊量ω_1F、ω_F、Φ_F的语言值为[NL(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(负小)，PM(负中)，PL(负大)，]；D、S的论域为[0，15]，单位为米，对应的模糊量D_F、S_F的语言值为[VS(非常小)，S(小)，M(中)，L(大)，VL(非常大)]；V的论域为[0，2.8]m/s，对应的模糊量V_F的语言值为[S(慢)，M(中)，F(快)]；

第一模糊控制器采用带比例参数调整的自校正结构，输入量为D_F、ω_1F、ω_F、V_F，输出量为U_I和θ_I；