水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及水下机器人技术

本发明专利技术涉及水下机器人控制技术领域，提供了一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人。防滑调头控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据期望调头时间T、机器人的初始航向角ψ

【技术实现步骤摘要】
水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及水下机器人
本专利技术涉及水下机器人控制
，具体为一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人。
技术介绍
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对海洋探索、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同时具有大范围游动能力以及局部行走和攀爬能力的水下机器人，其可广泛应用于海洋资源开发和利用、海洋牧场建设、水下文化遗产保护、搜集和打捞、水库大坝的安全检查、船舶清洗和日常保养、水下安全等领域，可促进我国海洋经济的快速发展，维护社会稳定和国家安全，具有重要的经济和社会效益。水下机器人通常受限于传感器探测范围或者作业工具作业范围的制约，当水下机器人着陆并贴合到工作面后，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的检测或作业。沿着预定规划路径循环式覆盖方法作为一种简单实用的覆盖控制算法广泛应用于实际工程中，其核心在于机器人调头侧移量的精确控制。基于此，面向左右履带和推进器混合驱动的水下机器人的调头侧移量控制是一个很有理论和实际意义的研究问题。水下机器人依靠推进器的螺旋桨产生垂直于工作面的推力使机器人稳定的依附于工作壁面。但是，由于水下机器人攀爬的工作壁面(船侧、大坝、桥墩等)大多覆盖着一层柔软的附着物，如苔藓等水生植物，其将导致工作壁面攀爬的摩擦系数小的问题。然而水下机器人垂推的推力之和通常是有限的，当水下机器人在光滑壁面快速调头运动或控制律设计不合理时，左右履带期望的驱动力极易大于在垂推作用下履带所能产生的最大牵引力。这将使水下机器人左右履带在工作壁面打滑，进而导致调头侧移量难以精准控制的问题。此外，不同于一些平衡点为零且跟踪的期望状态为常值的机器人控制系统，例如水下机器人定深、定向等控制系统。当控制输入受限时，这些系统可以通过设计合适的抗饱和补偿器，即在满足系统稳定性前提下，通过合理减缓期望值跟踪速度来削弱控制输入，以实现输入受限下的定深、定向等控制目标。但是，混合驱动水下机器人的调头动力学模型不同于其它一些平衡点为零且跟踪的期望状态为常值的动力学模型，这将导致不能按传统抗饱和补偿器来设计防滑控制律，应当考虑通过减小调头运动速度以实现按期望下移量无滑动调头。因此，在水下机器人垂推大小给定的前提下，如何根据工作壁面的摩擦系数，合理地协调控制履带的驱动力和调头时间，以保证水下机器人在柔软且光滑的工作壁面上无滑动地按期望下移量调头，是另一个值得深入研究的问题。综上所述，水下机器人在攀爬模态下的防滑调头侧移量控制存在以下两个问题：1、如何利用已有的传感器间接获取水下机器人的调头侧移量，以克服无传感器直接测量获取的问题；2、如何协调控制履带的驱动力和调头时间，使水下机器人自主适应垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系数，以实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头。
技术实现思路
(1)技术问题本专利技术面向高精度的调头侧移量控制需求，针对混合驱动水下机器人调头侧移动力学模型的特殊性、侧移量无法通过传感器直接测量获取以及履带式水下机器人在工作壁面易打滑的问题，提出了一种混合驱动水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人，其能自主适应垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系数，以实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头。(2)技术方案根据本专利技术的一方面，提供了一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据期望调头时间T、机器人的初始航向角ψ0和自适应变量β构造出期望航向角ψd(t)；步骤2：根据期望航向角ψd(t)以及预设的调头侧移量yd，构建滑模面s1、s2；步骤3：基于水下机器人左、右履带不打滑的控制需求，根据水下机器人左、右履带所能提供的最大牵引力F1m和F2m，设计防滑调头控制律F1、F2以及防滑调头自适应律步骤4：基于防滑调头控制律F1、F2，为水下机器人左、右履带分别提供牵引力u1和u2。根据本专利技术的示例性实施例，步骤1中根据本专利技术的示例性实施例，步骤2中其中，为水下机器人t时刻期望的侧移量，其由航向角ψ、预设的调头侧移量yd和累积侧移量共同决定；λ1为大于零的常数；其中，L为左右履带间距，V1和V2分别为左右履带的行走速度，根据本专利技术的示例性实施例，步骤3中其中，m＝m0+mλ为水下机器人质量m0和附加质量mλ之和；J＝J0+Jλ为水下机器人绕攀爬壁面的转动惯量J0和附加转动惯量Jλ之和；其中，τ1和τ2为大于零的常数，k1和k2为大于零的常数，w1、w2、和为所设计的自适应状态量，c0、c2和c3为模型的流体动力参数，且c0、c2和c3均为大于零的常数；Mr为转向时水下机器人侧向摩擦力所产生的阻尼力矩，其力矩方向与航向角速度方向相反，可表示为其中，FN为水下机器人垂推推力之和，其为大于零的恒定值；d为混合驱动水下机器人的长度；μ为左右履带相对工作壁面的摩擦系数；其中，为模型不确定和未知干扰之和的上界估计值；ε1、ε2、kρ1、kρ1均为大于零的常数；Δu1＝F1-u1，Δu2＝F2-u2；为大于零的常数；κ1和κ2为均为大于零的常量，且κ1≤0.01，κ2≤0.01；ku1和ku2均为大于零的常数。根据本专利技术的示例性实施例，步骤4中，其中，壁面所能提供最大牵引力为根据本专利技术的另一方面，提供了一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有执行上述防滑调头控制方法的计算机程序。根据本专利技术的又一方面，提供了一种水下机器人，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有执行上述的防滑调头控制方法的计算机程序。(3)有益效果根据本专利技术的混合驱动水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人，其能协调控制履带的驱动力和调头时间，使水下机器人自主适应垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系数，以实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头。在该方法中，基于滑模控制设计了自适应律，其能实时估计出模型不确定和外界未知扰动力的上界，进而抵抗模型不确定和外界扰动力对控制精度造成的不利影响。附图说明附图1为攀爬模态下混合驱动水下机器人防滑调头控制系统的结构框图；附图2为混合驱动水下机器人在工作壁面行进的路线图；附图3为混合驱动水下机器人旋转原点生成机制示意图；附图4为混合驱动水下机器人t时刻期望的侧移量yr的生成机制示意图；附图5为采用本专利技术实施例控制方法下的混合驱动水下机器人调头运动轨迹图；附图6为采用本专利技术实施例控制方法下的混合驱动水下机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法，其特征在于：所述防滑调头控制方法包括以下步骤：/n步骤1：根据期望调头时间T、机器人的初始航向角ψ

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法，其特征在于：所述防滑调头控制方法包括以下步骤：
步骤1：根据期望调头时间T、机器人的初始航向角ψ0和自适应变量β构造出期望航向角ψd(t)；
步骤2：根据期望航向角ψd(t)以及预设的调头侧移量yd，构建滑模面s1、s2；
步骤3：基于水下机器人左、右履带不打滑的控制需求，根据水下机器人左、右履带所能提供的最大牵引力F1m和F2m，设计防滑调头控制律F1、F2以及防滑调头自适应律
步骤4：基于防滑调头控制律F1、F2，为水下机器人左、右履带分别提供牵引力u1和u2。


2.根据权利要求1所述的防滑调头控制方法，其特征在于：步骤1中





3.根据权利要求2所述的防滑调头控制方法，其特征在于：步骤2中



其中，为水下机器人t时刻期望的侧移量，其由航向角ψ、预设的调头侧移量yd和累积侧移量共同决定；λ1为大于零的常数；
其中，L为左右履带间距，V1和V2分别为左右履带的行走速度，


4.根据权利要求3所述的防滑调头控制方法，其特征在于：步骤3中



其中，m＝m0+mλ为水下机器人质量m0和附加质量mλ之和；J＝J0+Jλ为水下机器人绕攀爬壁面的转动惯量J0和附加转动惯量Jλ之和；

【专利技术属性】
技术研发人员：严卫生，崔荣鑫，陈乐鹏，许晖，王崇武，李宏，邢瑶，蒋绍博，张守旭，
申请(专利权)人：西北工业大学，西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61