基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法技术

本发明专利技术涉及水下机器人与机器人控制领域，旨在提供一种基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法。包括：以仿真或实验方法建立四旋翼水下机器人的六自由度动力学与运动学模型；简化处理得到水下机器人的前进运动方程；基于四旋翼水下机器人的姿态角与前进速度的状态耦合关系，获取水动力系数、姿态角、前进速度与水流速度之间的映射关系；水下机器人在水中行进时分别采用快速适应模式和定期校准模式的控制策略。本发明专利技术实施方便，成本较低，不需要依靠其他传感器设备；能够实现在线自适应调整，同时有两种模式能有效应对不同工况。本发明专利技术通过水下机器人不断上浮校准参数，能有效逼近实际水流速度，在校准后可获得较好的控制效果。较好的控制效果。较好的控制效果。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法


[0001]本专利技术涉及水下机器人与机器人控制领域，尤其涉及一种基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法。

技术介绍

[0002]水下机器人是一种集微电子、计算机、控制、能源、通信等高新技术于一体的海洋智能装备，其中，四旋翼水下机器人在水下侦查、探测等方面有极高的应用价值。与鱼雷形结构相比，旋翼结构往往具有能耗较低、悬停性能好、设计难度低等优势，但由于其特殊的运动模式，也具有欠驱动性、强耦合性、静不稳定性和非线性等特点。
[0003]水流的干扰是大部分水下机器人完成任务时面临的主要阻碍之一。尤其是在一些较为湍急的水流中，水下机器人往往无法依照既定路线前进，从而顺利完成检测、侦查、取样等目标。传统的抗干扰策略往往需要设计较为复杂的控制器，对设计人员的专业性要求较高，或是使用一些能检测水流速度与方向的传感器，但这些传感器通常价格高昂、体积庞大，不适用于低成本的小型机器人。
[0004]随着对海洋发展战略的重视与水下机器人技术的发展，目前迫切需要一种有效且便利的抗扰动控制方法，不仅可以有效减少设计成本，还能够提高机器人的在不同环境下的适应性与工作效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法。
[0006]为解决技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0007]提供一种基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法，包括以下步骤：
[0008](1)以仿真或实验方法建立四旋翼水下机器人的六自由度动力学与运动学模型；
[0009](2)设定运动状态参数，对六自由度模型做简化处理，得到水下机器人的前进运动方程；
[0010](3)基于四旋翼水下机器人的姿态角与前进速度的状态耦合关系，获取水动力系数、姿态角、前进速度与水流速度之间的映射关系；
[0011](4)水下机器人在水中行进时，其控制策略包括快速适应模式(Fast Adaptation，简称FA模式)和定期校准模式(Periodic Calibration，简称PC模式)：
[0012]在定期校准模式下，水下机器人处于路径跟踪状态并按设定的间隔时间上浮；通过GPS定位方式比较实际位置点与估计值之间的差别，计算水流速度和克服水流扰动所需的偏移补偿量；与定期校准模式相比，快速适应模式下的水下机器人处于自由移动状态，按相对更短的设定间隔时间上浮，并计算偏移补偿量。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0014]1、本专利技术实施方便，成本较低。本专利技术针对四旋翼水下机器人特有的姿态角与速度之间的耦合关系，得到匀速运动时姿态角、速度与水流速度之间的函数关系，不需要依靠其他传感器设备。
[0015]2、本专利技术能够实现自适应调整，同时有两种模式能有效应对不同工况。本专利技术通过水下机器人不断上浮校准参数，能有效逼近实际水流速度，在多次校准后，可以获得较为良好的控制效果。
[0016]3、本专利技术应用范围广。本专利技术不但可以应用于四旋翼水下机器人，理论上还可应用于依靠姿态变换实现平移运动的任意旋翼型机器人。
附图说明
[0017]图1是十字形四旋翼水下机器人的坐标系图；
[0018]图2是FA模式流程示意图；
[0019]图3是PC模式流程示意图；
[0020]图4是FA模式具体实施示意图；
[0021]图5是PC模式具体实施示意图。
具体实施方式
[0022]首先需要说明的是，本专利技术涉及水下机器人技术、水动力建模技术、控制技术、导航技术和定位技术。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本专利技术的实现原理和专利技术目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能和算法修改实现本专利技术。在本专利技术的实现过程中，会涉及到多旋翼水下机器人的应用，水下机器人安装的旋翼推进器数量可在3～16个之间；前述水下机器人包括但不限于：水下机器人、水下航行器、潜水器、潜航器、深潜器、水下自走式航行器等；前述定期校准模式使用的校准装置包括但不限于：GPS、北斗卫星定位系统、水下声学定位系统、无线电定位系统、激光定位系统等，凡本专利技术申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
[0023]本专利技术提供的基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法，包括以下步骤：
[0024](1)以仿真或实验方法建立四旋翼水下机器人的六自由度动力学与运动学模型；
[0025]动力学与运动学模型的具体实现方式如下：
[0026](1.1)在水下机器人的运动中引入机体坐标系与大地坐标系；其中，机体坐标系与水下机器人本体绑定，原点为其浮心，随着水下机器人运动而运动；大地坐标系则与惯性系固连，位置方向均不发生变化；
[0027]在机体坐标系中表示水下机器人的受力与运动情况，x、y、z轴上的线速度依次定义为u、v、w，角速度依次定义为p、q、r，则速度矩阵定义为V＝[u，v，w，p，q，r]T
，上标T代表矩阵的转置，下同；在地坐标系中表示其位置与姿态角，x、y、z轴上的位移依次定义为x、y、z，姿态角依次定义为θ、ψ，则位姿矩阵定义为
[0028](1.2)在六自由度动力学与运动学模型中，动力学方程表示为：
[0029][0030]其中，M
T
为总质量矩阵，为V的微分，即点标代表微分，下同；C(V)为总科里奥利力矩阵；D
L
为线性阻力系数矩阵，D
NL
为非线性阻力系数矩阵；V
c
为水流速度矩阵，G(η)为恢复力矩阵，F为输入力矩阵；
[0031]总质量矩阵M
T
由刚体质量矩阵M
RB
与附加质量矩阵M
A
构成，通过下式计算得到：
[0032]M
T
＝M
RB
+M
A
[0033][0034][0035]其中，m为质量；假设重心的x轴与y轴坐标均为0，z
g
为重心的z轴坐标，I
x
/I
y
/I
z
依次为xyz坐标轴上的转动惯量，依次为xyz轴平移自由度上的附加质量系数，依次为xyz轴旋转自由度上的附加质量系数，又称附加转动惯量系数；
[0036]类似地，总科里奥利力矩阵C(V)由C
RB
与C
A
组成，通过下式计算得到：
[0037]C(V)＝C
RB
+C
A
[0038][0039][0040]线性阻力系数矩阵D
L
和非线性阻力系数矩阵D
NL
，分别通过下式计算得到：
[0041]D
L
＝diag[X
u
，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应策略的四旋翼水下机器人抗水流扰动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以仿真或实验方法建立四旋翼水下机器人的六自由度动力学与运动学模型；(2)设定运动状态参数，对六自由度模型做简化处理，得到水下机器人的前进运动方程；(3)基于四旋翼水下机器人的姿态角与前进速度的状态耦合关系，获取水动力系数、姿态角、前进速度与水流速度之间的映射关系；(4)水下机器人在水中行进时，其控制策略包括快速适应模式和定期校准模式：在定期校准模式下，水下机器人处于路径跟踪状态并按设定的间隔时间上浮；通过GPS定位方式比较实际位置点与估计值之间的差别，计算水流速度和克服水流扰动所需的偏移补偿量；与定期校准模式相比，快速适应模式下的水下机器人处于自由移动状态，按相对更短的设定间隔时间上浮，并计算偏移补偿量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，动力学与运动学模型的具体实现方式如下：(1.1)在水下机器人的运动中引入机体坐标系与大地坐标系；其中，机体坐标系与水下机器人本体绑定，原点为其浮心，随着水下机器人运动而运动；大地坐标系则与惯性系固连，位置方向均不发生变化；在机体坐标系中表示水下机器人的受力与运动情况，x、y、z轴上的线速度依次定义为u、v、w，角速度依次定义为p、q、r，则速度矩阵定义为V＝[u，v，w，p，q，r]
T
，上标T代表矩阵的转置，下同；在地坐标系中表示其位置与姿态角，x、y、z轴上的位移依次定义为x、y、z，姿态角依次定义为θ、ψ，则位姿矩阵定义为(1.2)在六自由度动力学与运动学模型中，动力学方程表示为：其中，M
T
为总质量矩阵，为V的微分，即点标代表微分，下同；C(V)为总科里奥利力矩阵；D
L
为线性阻力系数矩阵，D
NL
为非线性阻力系数矩阵；V
c
为水流速度矩阵，G(η)为恢复力矩阵，F为输入力矩阵；总质量矩阵M
T
由刚体质量矩阵M
RB
与附加质量矩阵M
A
构成，通过下式计算得到：M
T
＝M
RB
+M
AA
其中，m为质量；假设重心的x轴与y轴坐标均为0，z
g
为重心的z轴坐标，I
x
/I
y
/I
z
依次为xyz坐标轴上的转动惯量，依次为xyz轴平移自由度上的附加质量系数，依次为xyz轴旋转自由度上的附加质量系数，又称附加转动惯量系数；
类似地，总科里奥利力矩阵C(V)由C
RB
与C
A
组成，通过下式计算得到：C(V)＝C
RB
+C
AA
线性阻力系数矩阵D
L
和非线性阻力系数矩阵D
NL
，分别通过下式计算得到：D
L
＝diag[X
u
，Y
v
，Z
w
，K
p
，M
q
，N
r
]其中，X
u
/Y
v
/Z
w
依次为xyz轴平移自由度上的线性阻力系数，K
p
，M
q
，N
r
依次为xyz轴旋转自由度上的线性阻力系数；依次为xyz轴平移自由度上的非线性阻力系数，依次为xyz轴旋转自由度上的非线性阻力系数；水流速度矩阵V
c
，通过下式计算得到：V
c
＝[u
c
，v
c
，w
c
，0，0，0]
T
其中，u
c
/v
c
/w
c
依次为xyz轴上扰动水流的流速；恢复力...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀大雄，王睿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：