[发明专利]一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法。

背景技术

随着海洋开发与研究的日益蓬勃开展，水下无人航行器搭载机械手在进行水下打捞、援潜救生、海底设施的维护与装置的回收、海底生物及岩石标本的采样等方面得到了越来越广泛地应用。

首先，虽然目前搭载机械手的水下航行器通过遥控操作可以完成大量的作业工作，但其在结构化环境中的作业能力等方面存在较大缺陷，作业范围也受到较大限制，并且在水下机器人的作业中如果单纯依赖人的遥控，将难以实现海流扰动中机械手末端的准确定位和作业。专利文献“一种ROV水下机器人的运动控制方法(CN105404303A)”和“浮游式水下机器人的S面控制方法(CN1718378A)”，涉及到的水下机器人运动控制方法，虽然也可以完成水下机器人的运动控制，但由于作业过程中机械手的运动会给航行器带来较大的扰动作用，并且扰动作用力根据作业姿态随时变化，所以上述根据干扰误差反馈进行补偿的控制方式难以实现作业过程中的航行器稳定控制。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种水下无人航行器和机械手系统的手艇协调控制方法，能够通过航行器和机械手当前的位置和姿态的反馈实时估计作业过程中水下无人航行器所受到的机械手的扰动力，并在控制中进行补偿，从而提高作业精度。该方法用于水下无人航行器的遥控作业可以减小操作人员的操作时间，提高遥控精度，用于水下无人航行器的自主作业可以提高控制精度，尤其是机械手末端的控制精度，实现航行器的自主作业。

本发明的目的是这样实现的：包括水下无人航行器控制系统和协调控制器，

步骤一、协调运动控制器通过隔离串口板采集水下无人航行器控制系统中的多普勒测速仪和磁罗经的数据，并通过水下无人航行器控制系统中的PC104模块进行船位推算，获得水下无人航行器当前位姿，通过水下无人航行器控制系统中的can数据采集板、机械手直流伺服电机驱动器和编码器获取机械手各关节当前姿态；

步骤二、建立扰动力观测器，并设计协调控制器的两条控制率；

步骤三、通过协调控制器的两条控制率控制并控制水下无人航行器和机械手的运动。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤二中所述建立扰动力观测器是机械手对航行器的扰动力观测器，其中，倾斜力矩观测公式是：

式中，和分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力的矩阵表达形式，⁰R_V为艇体坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵和分别为机械手第i个广义连杆的重心和浮心相对于水下无人航行器的位置，而和分别为机械手艇体重心和浮心相对于水下无人航行器的位置，m_ig和F_Bi分别为机械手第i个广义连杆相对于水下无人航行器的重力和浮力；

机械手和水下无人航行器的耦合运动造成的耦合力的观测公式是：

式中：⁰f_1,0和⁰n_1,0是水下无人航行器在手臂基关节受到的机械手的耦合作用力，¹f_1,0和¹n_1,0是水下无人航行器在手臂基座受到的机械手的耦合作用力，⁰R₁是机械手基关节的随动坐标系到机械手基座坐标系的转换矩阵，⁰f_1,0和⁰n_1,0将由下式递推得到：

式中：ⁱf_i,i-1和ⁱn_i,i-1为第i个广义连杆在其第i关节对第i-1关节的约束反力，ⁱr_i和ⁱr_ci分别为机械手第i个广义连杆在其坐标系下的位置矢量和中心位置矢量，ⁱF_i,i和ⁱM_i,i分别为机械手第i个广义连杆在水中运动所受到的流体作用力，ⁱf_i^*和分别为机械手第i个广义连杆质心的惯性力和力矩，可以通过牛顿-欧拉方程递推得到；