[发明专利]一种面向水下无人艇-双机械臂作业系统的动力学耦合效应评价方法

说明书

本发明公开了一种面向水下无人艇‑双机械臂作业系统的动力学耦合效应评价方法。影响该耦合效应的主要因素之一是艇‑双机械臂尺度比，因此，本发明提出一种复合动力学耦合因子评价标准，评价并量化不同尺度比下水下无人艇‑双机械臂系统耦合效应，获取该系统耦合效应与尺度比之间的映射关系，以该映射关系为依据进行尺度比优化，进而基于该优化尺度比设计水下无人艇‑双机械臂作业装备，可在满足水下无人艇‑双机械臂系统作业空间要求的同时避免过大而不可控的动力学耦合效应，为水下无人艇‑双机械臂系统稳定、精准作业提供理论依据。

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，更具体地，涉及一种面向水下无人艇-双机械臂作业系统的动力学耦合效应评价方法。

背景技术

海洋是人类资源宝库，约占地球表面总面积的71％，储存着约占全球97％的水量，蕴藏着丰富的石油天然气资源、矿产资源及生物资源，也是各国竞争的重要战略空间，因此，海洋作业装备发展逐渐为各国所重视。随着海洋开发与自主作业技术日益发展，多种先进水下作业装备应运而生，其中，水下无人艇-双机械臂系统在海洋科考、海底大型生产系统自主运维、深海特种装备布放等水下作业任务中得到广泛应用。水下无人艇-双机械臂系统在作业能力方面有着较多优点，例如抓取更稳定、负载能力更大、抓取方式更灵活等。然而，由于艇-双机械臂间存在动力学耦合效应，双机械臂的运动会对水下无人艇母体造成耦合扰动，当水下无人艇母体与双机械臂尺度之比较小时，所造成的耦合扰动较大，将导致母体位姿控制稳定性降低，产生明显的位姿偏移，致使双机械臂无法精准完成目标抓取任务，甚至导致系统失稳，与目标物或周围环境发生碰撞，造成设备损坏及经济损失。因此，若水下无人艇-双机械臂系统在设计上不合理导致无人艇与双机械臂之间耦合效应过大，将大幅增大控制难度。

目前，水下无人艇-机械臂系统多采用配备小型机械臂的措施以解决无人艇与机械臂之间耦合互扰问题，该措施确保水下无人艇母体与机械臂尺度之比较大，从而机械臂运动对水下无人艇母体造成的动力学耦合扰动在一定程度上可以忽略不计。然而，小型机械臂作业空间局限性较大，间接降低了水下作业型机器人的作业能力；若配备大型机械臂，作业空间得到相应提升，但过大的机械臂可能导致水下无人艇-机械臂系统失稳，控制难度陡增。综上所述，水下无人艇-双机械臂系统设计上的一大关键要素是合理选择水下无人艇母体及作业型机械臂之间的尺度之比，在保证系统拥有良好操纵性的同时，降低机械臂作业空间的局限性。因此，需要一种合理量化该系统耦合效应的评价方法，基于该方法分析艇-双机械臂尺度比与耦合效应之间的映射关系，进而可为艇-双机械臂尺度比的优化设计提供理论支撑，以确保系统拥有良好的操纵性能及充足的作业空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向水下无人艇-双机械臂作业系统的动力学耦合效应评价方法，以评价并量化系统动力学耦合效应，为艇-双机械臂尺度比优化设计提供理论依据，确保水下无人艇-双机械臂系统的作业空间及动力学耦合效应的合理性，为水下无人艇-双机械臂系统稳定、精准作业提供理论支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下内容。

本发明提出一种面向水下无人艇-双机械臂作业系统的动力学耦合效应评价方法，其主要思想如下：首先，为量化并评价水下无人艇-双机械臂作业系统耦合效应，提出一种复合动力学耦合因子；其次，基于该复合动力学耦合因子，设计了水下无人艇-双机械臂系统耦合效应评价试验方法；再次，基于上述试验方法，针对水下无人艇-双机械臂系统在不同艇-双机械臂尺度比下进行水下无人艇-双机械臂系统耦合效应评价试验；最后，基于评价试验结果，提取水下无人艇-双机械臂系统耦合效应与艇-双机械臂尺度比之间的映射关系，提出艇-双机械臂尺度比优化设计方法，为水下无人艇-双机械臂系统结构优化设计提供理论支撑。

所提出的复合动力学耦合因子定义如下：

假设水下无人艇-双机械臂系统在双机械臂运动过程中，水下无人艇母体在不施加外部动力学控制条件下，无人艇位姿各自由度的动态响应为其中Δx、Δy、Δz、Δθ、Δψ分别表示无人艇的纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇及艏摇，从而定义其耦合动态响应为：