[发明专利]仿生滑翔机器海豚的滑翔深度控制方法、系统、装置

说明书

本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种仿生滑翔机器海豚的滑翔深度控制方法、系统、装置，旨在解决仿生滑翔机器海豚滑翔定深控制精确度低的问题。本系统方法包括获取预设滑翔深度、偏航角；基于深度、惯导信息，通过滑模观测器获取估计速度，并结合预设偏航角，通过偏航控制器获取两侧胸鳍的控制量；基于预设滑翔深度、深度信息，构建贝塞尔曲线并进行分段，获取分段式的下潜速度参考轨迹，并结合估计速度，通过模型预测控制方法获取下潜控制量；根据下潜控制量，通过浮力原理得到活塞的目标位置，并依据当前活塞位置获取活塞的控制量；基于活塞和两侧胸鳍的控制量，控制滑翔。本发明提高了仿生滑翔机器海豚滑翔定深控制的精确度。

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种仿生滑翔机器海豚的滑翔深度控制方法、系统、装置。

背景技术

近年来，水下仿生机器人在水下探测、搜救、设施维护等作业方面起着越来越重要的作用，引起广泛关注。通过模仿海豚的背腹式波动运动，仿生机器海豚获得了高机动性能，成功实现了跃水、前后滚翻等高难度动作，但是高机动运动往往导致极大的能量消耗。因此，为了提高机器海豚的续航能力，科研学者将水下滑翔器的浮力驱动机制引入到仿生机器海豚的设计，研制了仿生滑翔机器海豚平台，通过结合滑翔运动和仿海豚波动运动，同时实现高机动与强续航，极大拓展了应用领域和范围。

深度控制问题一直以来都是水下机器人的研究热点。高精度的深度控制能够为水下机器人的自主导航和路径规划奠定坚实的基础，对水下机器人的自主作业意义重大。根据控制方式不同，水下机器人深度控制主要分为三类：重心调节、浮力调节及可动鳍面调节。其中，重心调节主要依靠体内可动滑块改变重心分布，获取俯仰力矩，实现深度控制；浮力调节是通过改变自身排水量，依靠浮力调节，实现深度控制。这两种方法由于只需静密封操作，安全性高，实现难度小。但是，由于滑块运动和浮力调节速度限制，导致系统延迟较大，容易超调。可动鳍面调节方式通过控制鳍面的转角实现深度控制，响应速度快，结构简单，应用广泛。但是，该方法对于密封要求较高，且对偏航运动易产生强耦合效应。上述的方法广泛应用于水下仿生机器人研究中。Shen针对仿生机器海豚的定深问题，利用重心调节方式，设计了模糊比例–积分–微分(PID)控制器实现了其重心调节，获得了5厘米的深度误差。可参考文献：(1)沈飞，“仿生机器海豚的建模、控制及其在水质监测中的应用研究,”博士学位论文,北京:中国科学院研究生院,2012.

Makrodimitris针对仿生机器鱼的定深问题，利用浮力调节方式，实现了2厘米的深度误差。可参考文献：(2)M.Makrodimitris,I.Aliprantis,and E.Papadopoulos,“Design and implementation of a low cost,pump-based,depth control of a smallrobotic fish,”in Proc.IEEE/RSJ Int.Conf.Intell.Robots Syst.,Chicago,USA,Sep.2014,pp.1127–1132.

Yu针对仿生机器海豚的定深问题，利用可动鳍面调节方式，通过改进滑模模糊控制器控制胸鳍转角，实现了0.5厘米的深度误差。可参考文献：(3)J.Yu,J.Liu,Z.Wu,andH.Fang,“Depth control of a bioinspired robotic dolphin based on sliding modefuzzy control method,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.65,no.3,pp.2429–2438,2018.

仿生滑翔机器海豚的深度控制分为滑翔定深和海豚定深，其中由于系统延迟大和精确度低的特点，滑翔定深控制的精确性问题一直没有得到很好地解决。本发明针对滑翔机器海豚的滑翔深度控制问题，通过设计深度控制器控制浮力，实现定深控制任务。

发明内容