[发明专利]一种基于双重判据的水下机器人推力优化分配方法

说明书

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，尤其涉及一种基于双重判据的水下机器人推力优化分配方法。

背景技术

占地球表面积75％的海洋，是一个富饶而远未得到开发的宝库。人类要维持生存繁衍和发展，充分利用地球仅有的这块最后待开发的疆土，将是无可回避的选择。水下机器人由于其行动灵活，能够在水中长时间工作而日益成为人类开发利用海洋资源的重要工具，同时军用智能水下机器人在军事上也有用武之地，因此水下机器人的研制和应用具有重要的战略意义。

水下机器人的推力分配方法对其实现准确的定位、航行、作业、容错控制等具有重要作用。水下机器人要在水中实现稳定地航行和作业，既要求保持水平位置，又要抵抗海流影响；既要保持下潜深度，又要在作业中保持姿态，使其不会造成过大的横倾和纵倾；既要优化使用其推力节约能量，还要在必要的时候实现容错控制。所以必须通过水下机器人的推力优化分配才能使水下机器人更加广泛地应用于水下工程、海洋石油资源开发、海洋矿物资源调查、海洋生物资源调查、深海打捞、核潜艇救生，船体检测等方面。

申请号为CN201410583348的中国专利文件(公开日：2015年2月4号)中公开的“基于CAM矩阵的水下机器人矢量推力分配方法”提供了一种针对多自由度矢量推进水下机器人推力分配的方法。基于CAM矩阵的水下机器人矢量推力分配方法虽然与本专利属于同一技术领域，但它只是将水下机器人每个多自由度矢量推进器分配贡献系数，通过将各自由度需求指令组成的向量与每个推进器自由度对应的贡献系数向量做内积,得到推进器在该方向上的控制指令。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制精度高的，基于双重判据的水下机器人推力优化分配方法。

一种基于双重判据的水下机器人推力优化分配方法，包括以下步骤，

步骤一，针对水下机器人的推进器布置情况建立推力分配模型，对矢量推进器在每个自由度方向推力进行2范数和无穷大泛数双重判据的推力优化分配；

步骤二：使用对偶原理将推力优化分配的原问题转化为线性等式的对偶问题，利用神经网络方法求解该线性等式得到推力分配的优化解；

步骤三：根据每个推进器的控制电压—推力曲线，将优化解得到的每个推进器推力进行多次艾特金插值，得到推进器的输出电压，实现水下机器人多个自由度的运动控制。

本发明一种基于双重判据的水下机器人推力优化分配方法，还可以包括：

1、步骤一中双重判据的推力优化分配的求取方法为：

首先根据水下机器人的推进器的布置形式建立推力分配模型，建立和水下机器人惯性主轴重合的坐标系OXYZ分别指向机器人移动的纵向、横向和垂向；在水下机器人坐标系OXYZ下推进器相对于质心的矢量和方向为[r₁ r₂ … r_n]和[e₁ e₂ ... e_n]，其中r_i＝[x_iy_i z_i]，e_i＝[cosβ_i sinβ_i sinα_i]，第i个推进器对机器人产生的推力是ⁱF，力矩是ⁱM，当自动控制中的推力分配模块收到水下机器人的控制指令后，根据控制指令和推进器布置形式得到水下机器人所需的控制力矩阵为：

水下机器人推力的2范数形式为其F＝[¹F ²F ... ⁿF]，推力的无穷大范数形式为||F||_∞＝max{|¹F| |²F| … |ⁿF|}，得到双重判据的推力优化分配问题：

st τ＝RF

式中a∈(0,1]是权值系数。

2、将推力优化分配的原问题转化为线性等式为：

K_Ω(g-(Hg+P))-g＝0

其中，K_Ω(·):R³ⁿ⁺ⁿ⁺¹→Ω为从空间R³ⁿ⁺ⁿ⁺¹到集合Ω的一线性投影操作数，其中K_Ω(g)中第i个元素定义为：