[发明专利]一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法

权利要求书

1.一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过安装在水下机器人前下方的声学测距传感器采集到距底距离信息，构成最优目标运动轨迹；

建立水下机器人垂直面运动学模型；包括：

假设水下机器人轨迹是由多拍直线运动组成，则水下机器人垂直面运动学模型如下：

其中，x和z表示惯性坐标系下前向和垂向位置，Δt表示时间采样步长，k表示采样点，u表示当前前向速度，θ表示当前纵倾角，φ表示当前航向角，q表示当前纵倾角速度；

当选取最优轨迹后，其所对应的垂直面速度(u，q)即为水下机器人的最优运动目标值；

依据水下机器人垂直面运动加减速性能和最大速度/角速度限定采样空间在一个可行的滑动范围内，采样多组前向速度和纵倾角速度目标值，并模拟水下机器人在这些目标值下一段时间内的多组运动轨迹；包括：

采样多组垂直面前向速度和纵倾角速度，推算垂直面运动轨迹；

所述垂直面前向速度和纵倾角速度存在如下两个约束：

①水下机器人受自身最大前向速度u和纵倾角速度q的约束为：

u∈[u_min,u_max]，q∈[q_min,u_max]

②由于执行机构所提供的力矩有限，存在最大加减速限制，因此水下机器人轨迹向前模拟的时间段内，存在一个时间滑动窗口，在该时间窗口内的速度是水下机器人能够实际达到的速度：

u∈[u_c-aΔt,u_c+aΔt]，

其中，u_c和q_c分别表示水下机器人的当前前向速度和纵倾角速度，a和表示水下机器人的最大前向加速度和最大纵倾角加速度；

对多条运动轨迹进行评价，根据与实际地形误差绝对值之和最小为标准选取最优轨迹；包括：

在采样的速度组中，有若干组轨迹是可行的，因此采用评价函数的方式为每条轨迹作出评价，评价函数如下：

其中，R_i(u,q)采用目标位置h_i采用垂直面运动学模型中的惯性坐标系下的前向位置x、垂向位置z、当前纵倾角θ，上式用来评价水下机器人在当前设定的采样速度下，模拟轨迹每一拍位置和目标位置之间的距离之和，使得评价函数获得最小值的垂直面速度(u，q)即为最优运动目标值；

选取最优轨迹所对应的运动目标距离时间序列值来作为水下机器人的目标值，发送给底层运动控制器来驱动水下机器人的垂直面运动，从而实现水下机器人近底地形跟踪运动目标值的最优规划。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法，其特征在于，所述目标距离时间序列为水下机器人利用前下方安装的声学测距传感器实测的前方多拍的距底距离值，形成如下的距离时间序列集合：

H＝{h₁,h₂,……,h_n}

其中，h为实测的前方各拍的距底距离值；

由前方各拍距离值和当前位置可计算出相对应的位置值：

其中，x和z表示惯性坐标系下前向和垂向位置，k表示采样点，为声学测距传感器与水下机器人水平面的安装偏角，θ表示当前纵倾角；

H集合中每个元素按顺序对应于如下目标位置的集合：

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法，其特征在于，所述声学测距传感器为高度计或多普勒测速仪。