基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法，首先对水下机器人建立运动模型，通过分析运动模型得到各自由度运动方程；然后采用数字PID控制算法，控制水下机器人推进器的推力，包括垂直推进器和水平推进器。通过试凑法得出PID的比列系数、积分系数、微分系数；再然后在ROS中建立水下机器人以及运动环境三维模型，将模型导入Gazebo仿真器中，编写水下机器人运动的仿真节点；最后，利用基于ROS的水下机器人仿真环境，对水下机器人多自由度运动控制进行实验验证。采用本发明专利技术可使仿真平台与ROS进行集成，充分利用ROS中的软件资源，且具有可扩展性、稳定性、通用性以及代码可重用性的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法
本专利技术涉及水下机器人控制领域，具体涉及一种基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法。
技术介绍
海洋资源的开发和利用对人类未来的生存和发展将具有十分重要的意义。水下机器人由于机动灵活,能够在深海中长时间工作而日益成为人类开发利用海洋的重要工具。此外,水下机器人在军事领域也有重要的应用。因此，水下机器人的研制和利用,具有重要的战略意义和价值。水下机器人的运动控制是其完成指定任务的前提和保障,是水下机器人关键技术之一。随着水下机器人应用范围的扩大,对其自主性,运动控制的精度和稳定性的要求都随之增加,如何提高其运动控制性能就成了研究的一个重要课题。在机器人硏制和运行过程中，由于作业环境的不确定、操作人员的疲劳工作难免会出现各种问题。因此在线编程己经逐渐被离线编程所取代，离线编程在自动化生产加工中扮演着越来越重要的角色。离线编程远离作业现场，需要通过机器人仿真来确保编程的准确性和有效性。机器人仿真技术是机器人研究领域非常重要一个环节，通过仿真技术研发人员能够以很小的代价快速的发现并解决在现实作业环境中可能出现的问题。通过仿真能够降低机器人算法研究的代价、验证控制器的品质、革新机器人技术等作用。机器人仿真技术从最开始的数值化仿真到后来的二维平面仿真，再到现在的三维立体防真，技术在不断的成熟，不断的适应机器人技术的发展要求。仿真技术具有可靠、可重复性、无破坏性等优点。随着机器人越来越智能化，机器人领域的研究正变得越来越复杂，机器人仿真技术对代码的模块化和复用性也提出了越来越高的要求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种能大大提高效率、降低损耗的基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法。技术方案：本专利技术所述的一种基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法，包括以下步骤：(1)对水下机器人建立运动模型，通过分析运动模型得到各自由度运动方程；(2)采用数字PID控制算法，控制水下机器人推进器的推力；(3)在ROS中建立水下机器人以及运动环境三维模型，将模型导入仿真器中，编写水下机器人运动的仿真节点；(4)利用基于ROS的水下机器人仿真环境，对水下机器人多自由度运动控制进行实验验证。所述步骤(1)包括以下步骤：(11)建立水下机器人运动坐标系，确定水下机器人的多自由度运动；(12)分析水下机器人的运动模型，得到水下机器人多自由度运动方程：步骤(2)所述机器人推进器包括垂直推进器和水平推进器。所述步骤(2)包括以下步骤：(22)确定PID算法中的水下机器人垂直方向以及水平方向的电机转速；(22)设计水下机器人数字PID程序，采用试凑法得到比例系数、积分系数、微分系数。步骤(4)所述的验证包括有外力情况下验证和无外力情况下验证。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果：基于ROS机器人操作系统的一种模块化可重用分布式的机器人三维仿真平台，此仿真平台能够与ROS进行集成，充分利用ROS中的软件资源，且具有可扩展性、稳定性、通用性以及代码可重用性的特点。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为水下机器人运动坐标系；图3为基于ROS的仿真结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术的流程图，包括以下步骤：1、对水下机器人建立运动模型，通过分析运动模型得到各自由度运动方程任何运动数学模型都是基于一定的坐标系，这里首先确定水下机器人运动的坐标系。坐标系可划分为两种坐标系：固定坐标系O-XYZ及运动坐标系O-xyz。固定坐标系又称惯性坐标系，原点O可选地球上某一点，如海面中的任意一点，OX轴位于水平面，并以水下机器人的主航向为正；OY轴位于OX轴所在平面，按右手定则将OX轴顺时针旋转90°；OZ轴垂直于XOY坐标平面，指向地心为正。运动坐标系：原点O选在水下机器人重心处，Ox轴、Oy轴、Oz轴，分别是经过O点的水线面、横剖面和纵中剖面的交线，Ox轴指向机器人头为正，其他按右手系规定。表1：水下机器人坐标系参数定义表根据表1可定义如下矢量：现有某矢量，体坐标系中的坐标是(x,y,z)，地面坐标系的坐标为(X,Y,Z)，根据两者位置投影，得出如下公式：写成方向余弦矩阵式：称为转换矩阵，右边的上下标代表两个坐标系统，此处指从体坐标系B转换到地面坐标系E。为了定义体坐标系相对于地面坐标系的方位角，引入欧拉角采用欧拉角表示法可以将地面坐标系经过三次旋转与体坐标系重合，在旋转过程中，引入两个中间参考系o-x1y1z1、o-x2y2z2，具体坐标系之间转换顺序如图2所示。(1)地坐标系o-XYZ绕oZ轴旋转偏航角ψ到坐标系o-x1y1z1，旋转矩阵为(2)中间坐标系o-x1y1z1绕oy1轴旋转俯仰角θ到坐标系o-x2y2z2，得到旋转矩阵，(3)中间坐标系o-x2y2z2绕ox2轴旋转横滚角到体坐标系o-xbybzb，旋转矩阵为将式(3)、(4)、(5)联合起来，有令由(3)、(4)、(5)、(6)式得：忽略地球自转的影响，假设无人水下航行器的质量和形变都不发生变化，即可将无人水下航行器看作是刚体的运动，同刚体特性一样，可将UUV的运动方式分为两种，一种是绕航行器质心的旋转运动；一种是沿航行器质心的平移运动。利用非惯性系中的牛顿定律，在体坐标下，经由UUV的动量方程和动量矩方程推导，可得无人水下航行器的动力学方程为：式中表示合外力；表示合外力矩；表示惯性张量矩阵。I0＝0，其中Ix、Iy、Iz分别是水下航行器在体坐标系下绕ox、oy、oz轴的转动惯量；Ixy＝Iyx、Ixz＝Izx和Izy＝Iyz表示惯性积，在这里由于将体坐标系的坐标轴与惯性主轴重合，故惯性积项为零。将变量代入(8)、(9)式，则刚体动力学方程可写成沿三个轴的平动和扰动分量形式为：对于一个水下机器人，它的动力是由流体的动力、流体的阻力、流体的静力、控制力产生的。将航行器动力学方程写成分量并用矩阵表示为，上式中，τ为合外力和合外力矩，为刚体动力，MRB∈R6×6和CRB∈R6×6分别是水下航行器惯性系数矩阵和科里奥利向心力矩阵，描述为以下矩阵式(13)、(14)中m为水下航行器质量，S(θ)为反对称矩阵算子，由向量叉积λ×a:＝S(λ)a定义，其中S(λ)表示为式(12)中，为惯性类流体动力，与水下航行器运动的加速度和角加速度有关；令τD＝-D(v)v，表示为粘性类流体阻力，同惯性类流体动力一样与航行器的加速度和角加速度有关，并与航行器舵角有关；τC为航行器执行器所产生的控制力，τG为水下航行器受到的重力和浮力。2、采用数字PID控制算法控制水下机器人。确定PID算法中的被控对象，本专利技术中是为了实现水下机器人的多自由度运动，因此控制的对象为水下机器人垂直方向以及水平方向的电机转速。采用PID算法，运用工程试凑法对PID控制参数进行鉴定，水下机器人的深度控制采用垂直推进电机和水平推进电机相结合的控制方式，航向控制采用水平推进电机控制方式，通过对水下机器人的水库试验，整定出比较优化的PID参数。PID控制算法只需要调节比例系数、积分常数和微分时间常数三种参数就可以使系统控制指标满足控制的要求。当控制对象模型比较清楚时,针对系统特性,采用控制算法并合理选择参数,可以获得比较理想本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对水下机器人建立运动模型，通过分析运动模型得到各自由度运动方程；(2)采用数字PID控制算法，控制水下机器人推进器的推力；(3)在ROS中建立水下机器人以及运动环境三维模型，将模型导入仿真器中，编写水下机器人运动的仿真节点；(4)利用基于ROS的水下机器人仿真环境，对水下机器人多自由度运动控制进行实验验证。

【技术特征摘要】
1.一种基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对水下机器人建立运动模型，通过分析运动模型得到各自由度运动方程；(2)采用数字PID控制算法，控制水下机器人推进器的推力；(3)在ROS中建立水下机器人以及运动环境三维模型，将模型导入仿真器中，编写水下机器人运动的仿真节点；(4)利用基于ROS的水下机器人仿真环境，对水下机器人多自由度运动控制进行实验验证。2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的水下机器人多自由度运动控制的仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：(11)建立水下机器人运动坐标系，确定水下机器人的多自由度运动；(12)分析水下机器人的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭万，刘浏，李晓飞，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32