本发明专利技术涉及水下机器人技术领域，尤其涉及自主机器人的航迹精确跟踪方法，实现自主水下机器人在变化海洋环境下的精确航迹跟踪控制。包括以下步骤：海洋环境参数识别：计算海流速度值在水下机器人垂直方向的投影；航迹跟踪：通过计算水下机器人与规划航迹的横向距离、水下机器人航向角与规划航迹角的偏差量，结合水下机器人的对底前向速度和水下机器人的转艏角速度计算水下机器人的水平面转艏力矩。与传统的控制方法比较，本方法具有更好的鲁棒性，更能适应外界环境的改变和AUV自身参数的改变，提高了AUV的控制能力。本方法移植方便，可以适用于各种水下机器人。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下机器人
，尤其涉及一种自主水下机器人（简称AUV)的海 洋环境自识别的航迹精确跟踪方法。
技术介绍
在海洋应用中，水下机器人发挥越来越重要的作用。水下机器人分成两类：一种是 遥控式有缆水下机器人（简称R0V)，一种是自主水下机器人（简称AUV)。ROV需要水面母 船支持，同时受到电缆长度的限制，其作业距离有限，一般只有几百米；而AUV自身携带能 源，可以远离母船，活动距离达到几十公里甚至上百公里。所以AUV的研究越来越受到各国 的重视，AUV的发展代表了未来水下机器人的发展方向。 AUV的控制方法比ROV的控制方法复杂，只有设计出好的控制方法才能发挥出AUV 强大的作业能力。AUV执行远距离地形勘查、管线跟踪都依赖于AUV的精确航迹跟踪控制， 即AUV精确航迹跟踪控制技术的发展影响AUV的远程和深海作业能力。传统AUV精确航迹 跟踪控制方法主要采用经典线性控制理论进行控制，这种方法最大的好处是算法简单，但 是经典精确航迹跟踪控制方法依赖于AUV参数的稳定。而AUV的参数是强非线性耦合和时 变的，理论计算和试航时的参数辨识是特定时间和外界环境条件下的参数。 AUV作业的海洋环境复杂，海浪和海流等干扰因素随着工作海域和深度的不同而 发生变化，这些不确定干扰因素是空间和时间的复杂函数，无法被预知和准确建模。环境的 改变使AUV参数发生改变，经典的控制方法无法适应外界环境的变化，导致AUV的精确航迹 跟踪效果降低。
技术实现思路
针对传统精确航迹跟踪控制方法在对于系数敏感性较强和抗干扰性较弱的问题， 本专利技术要解决的技术问题是提供一种自主水下机器人的海洋环境自识别的航迹精确跟踪 方法，将传统精确跟踪控制方法和在线参数辨识相结合的控制方法，降低了控制系统对参 数敏感性和提高系统的控制抗干扰性。 本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种自主水下机器人的海洋环境自 识别的航迹精确跟踪方法，包括以下步骤： 海洋环境参数识别：计算海流速度值在水下机器人垂直方向的投影； 航迹跟踪：通过计算水下机器人与规划航迹的横向距离ε (t)、水下机器人航向 角与规划航迹角的偏差量，结合水下机器人的对底前向速度u和水下机器人的转 艏角速度r计算水下机器人的水平面转艏力矩τη。 所述计算海流速度值在水下机器人垂直方向的投影，具体为： 计算侧向来流偏角 其中，N是测量时刻总次数；i是第i次测量时刻；ξ种Tl i是第i次测量时的北 向位置和东向位置，是已知参数；》和$是N次测量的北向位置和东向位置的期望；^是 第i次测量时的水下机器人航向角，是已知参数；^是N次测量的水下机器人航向角的期 望；^、；/、f和彦，它们是方程⑴的待定系数，通过求解方程⑴，计算出7/、_ρ_和 多的值； 在计算出多值后，海流速度值在水下机器人垂直方向的投影V。为： 其中，u是水下机器人的对底前向速度，是已知参数。 所述水下机器人与规划航迹的横向距离ε (t)、水下机器人航向角与规划航迹角 的偏差量F⑴通过下式计算： 其中，Φ⑴是水下机器人当前的航向角；U1 u Tl1 J是规划航迹起点的北向 位置坐标和东向位置坐标；（Ii, Hi)是规划航迹终点的北向位置坐标和东向位置坐标； Φ 是规划航迹角，是中间变量；Φ⑴是航向角；是侧向来流偏角；ξ是当前水下机 器人的东向位置坐标；η是当前水下机器人的北向位置坐标。 所述水下机器人的水平面转艏力矩τ η的计算方法为： 其中，是水下机器人航向角与规划航迹角的偏差量，ε (t)是水下机器人 与规划航迹的横向距离，σ是中间变量，η、λρ λ 2和φ是水下机器人航迹控制参数，由 实验测定的常量，1彡η彡3，1彡3，1彡λ 2彡3,0彡Φ彡1。 所述水下机器人的对底前向速度u和水下机器人的转艏角速度r通过水下机器人 搭载的传感器测量得到。 本专利技术采用滑模控制理论与在线参数辨识理论相结合的方法，对于水动力参数变 化和海洋环境参数变化的不敏感性和控制抗干扰性优于传统的精确航迹跟踪控制方法，更 加适合AUV这种在复杂海洋环境下的非线性时变模型系统。具体的说，本专利技术具有以下优 点及有益效果： 1.对于水动力系数不敏感。相比传统的控制方法，本方法对于水动力系数不敏感， 能够在水动力模型不准确的情况下使用。 2.能够更好地适应外界环境的改变。当外界环境发生改变时，例如外部海流环境 发生变化时，传统的控制方法会偏离最佳工作状态，降低控制系统性能；本方法具有更好的 鲁棒性，更好地适应外界环境的改变。 3.应用范围广。本专利技术不但可以应用于AUV，还可以用于各种水下机器人的精确 航迹控制。【附图说明】 图1为本专利技术应用环境不意图； 图2为本专利技术中相关参数关系图。【具体实施方式】 下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。 本专利技术的硬件要求是一台AUV，艉部配置2个水平舵，在艉部水平舵上装有2个推 进电机；在艉部配置一个垂直舵，如图1所示。在AUV设计完成后，首先进行水池水动力试 验，获得AUV的水动力系数。然后按照本专利技术方法设计AUV的精确航迹跟踪控制器。最后， 将使用本专利技术方法的AUV进行航行试验，验证控制方法的正确性。 本专利技术的AUV精确航迹跟踪控制方法包括海洋环境参数识别和精确航迹跟踪控 制方法，以下详细描述这两方面内容： 本专利技术中的海洋环境参数识别是指计算海流速度值在AUV垂直方向的投影。为了 方便计算当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种自主水下机器人的海洋环境自识别的航迹精确跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：海洋环境参数识别：计算海流速度值在水下机器人垂直方向的投影；航迹跟踪：通过计算水下机器人与规划航迹的横向距离ε(t)、水下机器人航向角与规划航迹角的偏差量结合水下机器人的对底前向速度u和水下机器人的转艏角速度r计算水下机器人的水平面转艏力矩τn。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王轶群，赵宏宇，徐春晖，刘健，邵刚，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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