[发明专利]一种水下机器人视觉控制目标抓取测试系统与方法

权利要求书

1.一种水下机器人视觉控制目标抓取测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建测试系统，所述测试系统包括待测试水下机器人-机械手系统、抓取目标、三轴悬臂吊、水下视觉摄像机和水面主控工控机；将待测试水下机器人-机械手系统安装在三轴悬臂吊上，将抓取目标放置于水下视觉摄像机的观察范围内；接通电源并运行水下机器人-机械手系统的控制程序，建立水面主控工控机与水下机器人-机械手系统和三轴悬臂吊的连接，并初始化各项参数；

步骤2：通过水下视觉摄像机对抓取目标的实时跟踪，获取抓取目标与水下视觉摄像机的位置关系；

步骤3：根据运动学方程将目标与水下视觉摄像机的位置关系转化为多关节水下机械手与目标的位置关系；

步骤4：应用控制算法根据抓取目标相对于机械手的距离进行轨迹规划，并获得控制响应，在水面主控工控机内将控制响应转化为测试系统的实际输出响应；

步骤5：根据潜艇操纵性方程以及各项水动力系数，在Vega视景仿真软件中加载测试系统模型并计算得出水动力环境模型；

机械手对水下机器人的受力影响X_effect为：

X_effect＝g(θ)+F(θ)+H(θ)

其中，g(θ)表示机械手在竖直方向所受的重力和浮力的合力；F(θ)表示机械手各关节运动给水下机器人载体带来的动量矩；H(θ)表示机械手在运动时受到的水动力；

其中，表示机械手各臂杆所受重力；表示机械手各臂杆所受浮力；和分别表示机械手各臂杆的重心和浮心位置，m_i代表机械手第i个臂杆的质量；

其中，ⁱI_i表示机械手第i个臂杆绕自身质心旋转的转动惯量；ⁱw_i表示机械手第i个臂杆绕自身质心旋转的角速度向量；ⁱv_ci表示机械手第i个臂杆在其质心的线速度向量；

其中，H_Mi表示机械手第i个臂杆运动带来的附加质量力，ⁱV_ci＝[u_ci v_ci w_ci p_ci q_ci r_ci]表示机械手第i个臂杆在其质心的速度向量；H_Ci＝C_AiⁱV_ci表示附加质量带来的哥氏力，为水动力系数；表示粘性水动力；ρ为水的密度；D(x_i)表示机械手第i个臂杆的截面积；C_D(R_n)为粘性水动力的拖曳系数；R_n表示雷诺数；dl_i表示机械手第i个臂杆的长度微元；

步骤6：利用Vega视景仿真软件将得到的输出响应结合测试系统模型和水动力环境模型，计算分析得出测试系统在水中的运动模拟结果及其响应；

步骤7：根据视景仿真软件的模拟结果和响应，以三轴悬臂吊的运动代替测试系统在水中的运动，并控制多关节水下机械手对目标进行抓取，实现测试系统在现实环境下的全实物抓取操作。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人视觉控制目标抓取测试方法，其特征在于：所述步骤3中的运动学方程为：

其中，为某点在机械手末端坐标系下的坐标；为某点水下视觉在摄像机坐标系下的坐标；为水下视觉摄像机坐标系到水下机器人质心坐标系的旋转矩阵；为水下视觉摄像机坐标系到水下机器人质心坐标系的三维平移向量；ⁱT_i+1为从机械手第i+1个关节到第i个关节的变换矩阵；^vT₁为从水下机器人质心到机械手基关节的变换矩阵；

其中，x₁、y₁和z₁为机械手基关节相对于水下机器人质心坐标系的位移；d_i为关节两法线间的距离；a_i为第i个机械手连杆的长度；α_i为z_i和z_i+1轴之间的夹角；θ_i为两连杆之夹角。