[发明专利]混合驱动水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法

说明书

本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种履带和推进器混合驱动水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法，所述定深定向控制方法包括：利用安装在水下机器人浮心处的姿态传感器及安装在随曲面随动的左右履带中心处姿态传感器，实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息；在此基础上，构造了面向曲形壁面上定深和定向攀爬的水下机器人运动参考量；利用水下机器人的姿态角和履带速度信息设计了滑模面，并利用滑模控制方法，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律。根据本发明可以使混合驱动水下机器人在曲面上实现稳定的定深和定向控制。

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种履带和推进器混合驱动的水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法。

背景技术

水下机器人是海洋资源开发，海洋监测以及海洋生态保护的重要装备之一。通过搭载不同类型的传感器和执行器，水下机器人能够有效地实现海洋探索、开发、监测以及侦查等多项任务。

对于复杂海洋环境下的探索开发，尤其是当需要在船侧、大坝、桥墩等复杂工作面进行降落、攀爬或行走等作业任务时，就需要深入地研究开发具有在工作壁面局部行走和攀爬能力的水下机器人。

受限于传感器探测范围或者作业工具作业范围的制约，当水下机器人贴合至工作壁面后，就需要合理设计水下机器人的覆盖控制算法，以实现对工作壁面的高效率检测和作业。沿着预定规划路径循环式覆盖方法作为一种实用的覆盖控制算法广泛应用于实际工程中，其核心在于对机器人的攀爬深度和航向进行精确的控制。基于此，研究面向复杂壁面稳定攀爬的水下机器人控制具有十分重要的意义。但是，由于水下机器人的工作需求不同，待攀爬的工作面的轮廓信息通常是无法先验获取的，这将导致难以协调控制水下机器人的行走机构以实现稳定攀爬。

发明内容

(1)技术问题

面向轮廓信息未知的曲形工作面攀爬的水下机器人定深和定向控制主要存在以下问题：1、如何选取合适的传感器来实时感知机器人控制器设计所需要的曲面轮廓信息；2、如何根据已感知的曲面轮廓信息来构造曲面定深和定向攀爬控制所需要的参考信息；3、如何设计合适的控制律来协调驱动水下机器人行走机构以实现在曲面的稳定定深和定向攀爬。

(2)技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种履带和推进器混合驱动的水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将姿态传感器0(即中心姿态传感器)安装在水下机器人的浮心处，其坐标系方向与水下机器人体坐标系方向一致，将姿态传感器1和2(即第一姿态传感器和第二姿态传感器)分别安装在水下机器人随曲面随动的左右履带的中心处，保证姿态传感器的y轴方向与履带中心点所在曲面的法向方向一致，利用这三个姿态传感器输出的信息实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息；

步骤2：建立履带式水下机器人攀爬曲面的运动学方程，并分别构建面向曲面定深和定向航行的运动参考量；

步骤3：利用滑模控制策略，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律。

与曲面任一点O相切的切平面的法向量可推导为

其中，为体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵，其可表示为

同理，向量和可分别表示为

根据本发明的实施例，分别构建面向曲面定深和定向航行的运动参考量包括：

水下机器人定深攀爬时，其参考方位角设置为

水下机器人定向攀爬时，其参考方位角设置为