一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法及装置制造方法及图纸

技术编号:24330316 阅读:25 留言:0更新日期:2020-05-29 19:23
本发明专利技术提供了一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法及装置,涉及水下机器人领域,包括:获取第一定位信息、第二定位信息以及水动力参数;根据第一定位信息和水动力参数,建立空间六自由度运动模型;根据第二定位信息设置位置引力点和姿态引力点,确定虚拟引力;根据虚拟引力,确定推力、垂直舵力以及水平舵力;将推力、垂直舵力以及水平舵力带入空间六自由度运动模型,确定待回收水下机器人的下一时刻位姿,并获取移动坞站的下一时刻位姿;判断两者下一时刻位姿是否达到一致,若达到,则结束路径规划任务。本发明专利技术针对欠驱动水下机器人的移动式对接,提供了高效准确的路径规划方法,保证移动对接的可靠性,有效地减轻了人员操作负担。

A path planning method and device for mobile docking recovery of underwater robot

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法及装置
本专利技术涉及水下机器人领域,具体而言,涉及一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法及装置。
技术介绍
随着我国航海事业的发展,越来越多的深海探测任务需要水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicle,简称AUV)的参与,比如水下侦查、海底施工、大范围且长航程的工作网络扩展和组建等工作。由于现有的水下通讯能力的限制性以及自身能源的有限性,AUV在深海执行任务的过程中,在能源系统警告、作业数据容量饱和或者先期任务完成之后,需要与坞站进行对接动作,以此完成AUV与坞站之间的能量交换、数据上传、任务下载、位置矫正或载体维护等任务。自主水下对接技术是完成AUV与坞站之间对接的关键技术,在种种深海探测任务中起着至关重要的作用,而AUV在与坞站的对接过程中,容易受到了如作业深度和范围受限等诸多不利因素的影响。如何排除这些影响,实现高效率、高精度的自主水下对接技术是水下机器人领域中需要探索的重要问题。现有的、较为成熟的自主水下对接技术主要是以固定式对接为主,即AUV完成阶段性工作后,归航并对接到某一固定在水下特定位置的坞站中。固定式对接对路径规划和跟踪控制的要求相对较低,对接成功率高,但一方面,固定式对接往往需要提前布置好回收装置,灵活性不高,不适宜完成复杂的深海探测任务;另一方面,固定式对接的对接装置设计复杂,且容易受海洋附着物的影响,维护难度较大。由此,一种移动式自主水下对接技术应运而生。移动式自主水下对接技术是指对接装置处于运动状态下,AUV与对接装置完成对接。一般而言,对接装置搭载于大型水下航行器上,移动式自主水下对接技术要求AUV能在回收过程中能准确捕捉大型水下航行器的位姿信息,同时也对两个相对运动物体的路径规划和跟踪控制提出了更高的要求。因而,在移动式自主水下对接技术中,实现准确且高效的对接路径路径规划是必不可少的。水下机器人根据驱动特性即推力器的配置分为全驱动、欠驱动和过驱动。欠驱动AUV在绝对速度较快时,舵效高,操纵性能好,出于制造成本和能源消耗的考虑,执行探测任务时一般采用欠驱动AUV。因此,有必要针对欠驱动AUV,提出一种可靠实用的移动式自主水下对接路径规划的方法。综上,现有的自主水下对接技术主要是以固定式对接为主,存在灵活性低、成本过高的缺陷。为了实现低成本、高准度的自主水下对接,一种针对水下机器人的移动式对接回收的路径规划方法亟待提出。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为达上述目的,本专利技术提供了一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,包括:获取回收水下机器人的第一定位信息、移动坞站的第二定位信息以及所述待回收水下机器人的水动力参数;根据所述第一定位信息和所述水动力参数,建立所述待回收水下机器人的空间六自由度运动模型;根据所述第二定位信息设置位置引力点和姿态引力点,根据所述位置引力点和所述姿态引力点确定虚拟引力,其中,所述位置引力点用于划分距离范围,所述姿态引力点用于划分角度范围;根据所述虚拟引力,确定所述待回收水下机器人的推力、垂直舵力以及水平舵力;将所述推力、所述垂直舵力以及所述水平舵力带入所述空间六自由度运动模型,确定所述待回收水下机器人的下一时刻位姿,并获取所述移动坞站的下一时刻位姿;判断所述待回收水下机器人的下一时刻位姿是否与所述移动坞站的下一时刻位姿达到一致,若达到,则结束路径规划任务。由此,本专利技术通过通过在人工势场法中设置位置引力点和姿态引力点求得虚拟引力,并针对欠驱动的待回收水下机器人的运动特性得到推力、垂直舵力和水平舵力,进一步规划待回收水下机器人移动式对接路径,从而使得路径末端的待回收水下机器人和移动坞站的位姿趋于一致。综上,本专利技术充分利用了待回收水下机器人的欠驱动运动特性,利用位置引力点和姿态引力点求得虚拟引力,再将虚拟引力整合成推力、垂直舵力、水平舵力,最后利用推力、垂直舵力、水平舵力完成了准确的待回收水下机器人的末端位姿求解,实现了高效的水下移动式对接路径规划,保证了待回收水下机器人和移动坞站的高精度对接。进一步地,所述第一定位信息包括所述待回收水下机器人的重心,所述根据所述第一定位信息和所述水动力参数,建立所述待回收水下机器人的空间六自由度运动模型,包括:根据所述水动力参数,确定六个自由度上的静水力和动水力的合外力;将所述水动力参数和所述合外力代入六自由度运动模型等式中,以所述重心为原点,建立所述空间六自由度运动模型。由此,利用第一定位信息和水动力参数确定待回收机器人的空间六自由度运动模型,通过建立好的空间六自由度运动模型,充分考虑待回收水下机器人的运动特性,保证进一步准确求解待回收机器人的末端位姿。进一步地,所述虚拟引力包括主动力和主动力矩,所述根据所述第二定位信息设置位置引力点和姿态引力点,根据所述位置引力点和所述姿态引力点确定虚拟引力,包括:根据所述第二定位信息设置所述位置引力点,再根据所述位置引力点确定所述主动力,其中,所述主动力包括纵向引力、横向引力以及垂向引力;根据所述第二定位信息设置所述姿态引力点,再根据所述姿态引力点确定所述主动力矩,其中,所述主动力矩包括艏向引力矩、俯仰引力矩。由此,位置引力点产生主动力,通过将位置引力分解成坐标轴上三个方向的力,有效求得纵向引力、横向引力和垂向引力;而姿态引力点产生主动力矩,主动力矩包括艏向引力矩、俯仰引力矩。因而,本专利技术有效利用欠驱动水下机器人的运动特性,准确求解纵向引力、横向引力、垂向引力、艏向引力矩和俯仰引力矩,有利于进一步整合求解待回收水下机器人的主动控制力(推力、垂直舵力、水平舵力),保证了高效准确的路径规划控制方法。进一步地,所述位置引力点包括距离控制点,所述根据所述第二定位信息设置所述位置引力点,再根据所述位置引力点确定主动力,包括:根据所述第二定位信息,通过坐标转换公式得到所述待回收水下机器人和所述坞站在随体坐标系下的相对矢量距离和相对标量距离;根据所述第二定位信息,设置所述距离控制点、最大限制吸引力和第一常数;根据所述距离控制点、所述最大限制吸引力、所述第一常数、所述相对矢量距离和所述相对标量距离,确定所述纵向引力、所述横向引力、所述垂向引力。由此,通过计算相对标量距离,将其作为调节主动力大小的标准,充分考虑到待回收机器人和移动坞站之间的相对距离对主动力的影响,有效利用两者的相对运动特性,得到准确的主动力,进而保证了本专利技术路径规划的有效性。进一步地,所述根据所述距离控制点、所述最大限制吸引力、所述第一常数、所述相对矢量距离和所述相对标量距离,确定纵向引力、横向引力以及垂向引力,包括:根据所述距离控制点、所述相对标量距离和第一常数,确定第一权重;判断所述距离控制点和所述相对标量距离是否满足第一预设条件;若满足所述第一预设条件,则根据所述最大限制吸引力、所述第一权重、所述相对矢量距离确定总矢量引本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,包括:/n获取待回收水下机器人的第一定位信息、移动坞站的第二定位信息以及所述待回收水下机器人的水动力参数;/n根据所述第一定位信息和所述水动力参数,建立所述待回收水下机器人的空间六自由度运动模型;/n根据所述第二定位信息设置位置引力点和姿态引力点,根据所述位置引力点和所述姿态引力点确定虚拟引力,其中,所述位置引力点用于划分距离范围,所述姿态引力点用于划分角度范围;/n根据所述虚拟引力,确定所述待回收水下机器人的推力、垂直舵力以及水平舵力;/n将所述推力、所述垂直舵力以及所述水平舵力带入所述空间六自由度运动模型,确定所述待回收水下机器人的下一时刻位姿,并获取所述移动坞站的下一时刻位姿;/n判断所述待回收水下机器人的下一时刻位姿是否与所述移动坞站的下一时刻位姿达到一致,若达到,则结束路径规划任务。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,包括:
获取待回收水下机器人的第一定位信息、移动坞站的第二定位信息以及所述待回收水下机器人的水动力参数;
根据所述第一定位信息和所述水动力参数,建立所述待回收水下机器人的空间六自由度运动模型;
根据所述第二定位信息设置位置引力点和姿态引力点,根据所述位置引力点和所述姿态引力点确定虚拟引力,其中,所述位置引力点用于划分距离范围,所述姿态引力点用于划分角度范围;
根据所述虚拟引力,确定所述待回收水下机器人的推力、垂直舵力以及水平舵力;
将所述推力、所述垂直舵力以及所述水平舵力带入所述空间六自由度运动模型,确定所述待回收水下机器人的下一时刻位姿,并获取所述移动坞站的下一时刻位姿;
判断所述待回收水下机器人的下一时刻位姿是否与所述移动坞站的下一时刻位姿达到一致,若达到,则结束路径规划任务。


2.如权利要求1所述的水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,所述第一定位信息包括所述待回收水下机器人的重心,所述根据所述第一定位信息和所述水动力参数,建立所述待回收水下机器人的空间六自由度运动模型,包括:
根据所述水动力参数,确定六个自由度上的静水力和动水力的合外力;
将所述水动力参数和所述合外力代入所述六自由度运动模型等式中,以所述重心为原点,建立所述空间六自由度运动模型。


3.如权利要求1所述的水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,所述虚拟引力包括主动力和主动力矩,所述根据所述第二定位信息设置位置引力点和姿态引力点,根据所述位置引力点和所述姿态引力点确定虚拟引力,包括:
根据所述第二定位信息设置所述位置引力点,再根据所述位置引力点确定所述主动力,其中,所述主动力包括纵向引力、横向引力和垂向引力;
根据所述第二定位信息设置所述姿态引力点,再根据所述姿态引力点确定所述主动力矩,其中,所述主动力矩包括艏向引力矩、俯仰引力矩。


4.如权利要求3所述的水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,所述位置引力点包括距离控制点,所述根据所述第二定位信息设置所述位置引力点,再根据所述位置引力点确定所述主动力,包括:
根据所述第二定位信息,通过坐标转换公式得到所述待回收水下机器人和所述坞站在随体坐标系下的相对矢量距离和相对标量距离;
根据所述第二定位信息,设置所述距离控制点、最大限制吸引力和第一常数;
根据所述距离控制点、所述最大限制吸引力、所述第一常数、所述相对矢量距离和所述相对标量距离,确定所述纵向引力、所述横向引力以及所述垂向引力。


5.如权利要求4所述的水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,所述根据所述距离控制点、所述最大限制吸引力、所述第一常数、所述相对矢量距离和所述相对标量距离,确定纵向引力、横向引力以及垂向引力,包括:
根据所述距离控制点、所述相对标量距离和第一常数,确定第一权重;
判断所述距离控制点和所述相对标量距离是否满足第一预设条件;
若满足所述第一预设条件,则根据所述最大限制吸引力、所述第一权重、所述相对矢量距离确定总矢量引力;
根据所述总矢量引力确定所述纵向引力、所述横向引力和所述垂向引力,其中,所述总矢量引力包括沿Y轴方向的第一引力、沿X轴方向的第二引力和沿Z轴方向的第三引力,所述纵向引力为所述第一引力,所述横向引力为所述第二引力,所述垂向引力为所述第三引力。


6.如权利要求5所述的水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,所述若满足所述第一预设条件,则根据所述最大限制吸引力、所述第一权重、所述相对矢量距离确定总矢量引力,包括:
当所述相对标量距离大于所述距离控制点,则根据所述最大限制吸引力和所述相对矢量距离的乘积确定所述总矢量引力;
当所述相对标量距离小于或等于所述距离控制点,则根据所述最大限制吸引力、所述相对矢量距离和所述第一权重的乘积确定所述总矢量引力。


7.如权利要求3所述的水下机器人移动式对接回收的路径规划方法,其特征在于,所述姿态引力点包括艏向角引力点和俯仰角引力点;所述根据所述第二定位信息设置所述姿态引力点,再根据所述姿态引力点确定所述主动力矩,包括:...

【专利技术属性】
技术研发人员:李柯垚李晔姜言清崔林涛武皓微
申请(专利权)人:哈尔滨工程大学
类型:发明
国别省市:黑龙;23

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1