一种水下机器人及其动力定位方法技术

本发明专利技术属于水下机器人动力定位技术领域，具体涉及一种水下机器人及其动力定位方法。首先，获取水下机器人的当前位姿和期望位姿，期望位姿依据作业目标确定；将水下机器人的期望位姿和当前位姿作差，得到位姿误差；然后，将位姿误差和环境干扰输入至神经网络控制器中，以得到动力推进系统中各推进器的推进量；接着，控制各个推进器依据得到的推进量动作，以改变水下机器人的位姿使水下机器人完成定点作业任务。本发明专利技术实现实时控制水下机器人位姿，逐渐减少水下机器人当前位姿和期望位姿之间的误差，使水下机器人完成定点作业任务。而且，整个控制过程中，将环境干扰考虑在内，使得到的推进量能够克服环境干扰，保证了水下机器人定位精度。位精度。位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人及其动力定位方法


[0001]本专利技术属于水下机器人动力定位
，具体涉及一种水下机器人及其动力定位方法。

技术介绍

[0002]随着人类对海洋资源开发的不断深入，水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在海上石油工业、环境探测及军事等领域正发挥越来越重要的作用，承担越来越多的水下环境监测、军事侦查等任务。
[0003]水下机器人的定位非常重要。为了适应水下复杂的作业环境，提高水下机器人的作业精度，要求水下机器人具有高精度的动力定位能力。而且，由于水下无线传输的局限性，GPS信号是无法传送到水下的。因此，可靠精确实现水下机器人的定位，实现对作业态势的掌控，是水下机器人作业技术中急需解决的关键技术之一。
[0004]目前，水下机器人的水下定位方法有几种：一是采用锚定法，这种方法定位过程中不需要动力，定位精度不高，抗流能力不强，水下机器人的作业范围受到限制。二是主从手定位方法，要求水下机器人安装两个机械手，在作业过程中，从手抓持水下某固定目标，通过从手上的传感器获得水下机器人与固定目标的相对位置，这种动力定位方法的优点是定位精度高，其不足之处在于对水下作业环境要求较高，机动性差。三是视觉定位法，通过摄像头拍摄图像，结合图像处理算法进行定位，但是由于水下环境较为恶劣，通常情况下能够拍摄获取的图像质量较差，无法实现水下机器人的精确定位。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种水下机器人及其动力定位方法，用以解决现有技术中定位精度低的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种水下机器人动力定位方法，包括如下步骤：1)获取水下机器人的当前位姿和期望位姿，期望位姿依据作业目标确定；将水下机器人的期望位姿和当前位姿作差，得到位姿误差；2)将位姿误差和环境干扰输入至神经网络控制器中，以得到动力推进系统中各推进器的推进量；3)控制各个推进器依据得到的推进量动作，以改变水下机器人的位姿使水下机器人完成定点作业任务。
[0007]其有益效果为：本专利技术将基于神经网络控制器的闭环控制策略应用于水下机器人定位中，神经网络控制器的输入包括期望位姿和当前位姿的位姿误差以及环境干扰，输出为各推进器的推进量，也即，在水下机器人进行定点任务作业过程中，获取位姿误差以及环境干扰并输入至训练完成的神经网络控制器中，便可得到各推进器的推进量，使各推进器依据得到的推进量工作即可，从而实现实时控制水下机器人位姿，逐渐减少水下机器人当前位姿和期望位姿之间的误差，使水下机器人完成定点作业任务。而且，整个控制过程中，将环境干扰考虑在内，使得到的推进量能够克服环境干扰，保证了水下机器人定位精度。
[0008]进一步地，步骤1)中所述当前位姿为世界坐标系下的当前位姿；利用水声定位系
统获得水下机器人与作业目标之间的当前相对位姿，并将当前相对位姿进行坐标转换得到水下机器人在世界坐标系下的当前位姿。
[0009]其有益效果为：利用水声定位系统来获取水下机器人的当前位姿，能够准确得到水下机器人的当前位姿。
[0010]进一步地，步骤2)中各推进器的推进量为：
[0011]T＝f2(W2f1(W1P+b1)+b2)
[0012]式中，T＝[T1 T2
ꢀ……ꢀ
TN]T
，Ti表示各推进器的推进量，i＝1,2,
……
,N，N表示推进器的总数；P表示神经网络控制器的输入，P＝[P
1 P2]T
，P1表示位姿误差向量，P2表示环境干扰向量；f1和f2均表示传递函数；W1和W2均表示神经网络控制器中输入层到输出层的连接权值；b1和b2均表示神经网络控制器中输入单元到输出单元的阈值；W1、W2、b1和b2均经训练得到。
[0013]进一步地，步骤2)中所述环境干扰为水流扰动，且所述水流扰动采用如下方法确定：利用建立的海流干扰模型，确定与水下机器人当前所处环境中水流的流速和流向对应的水流扰动干扰；其中，根据水下机器人模型进行水动力学仿真，模拟计算水下机器人在不同流速和流向水流干扰下的受力情况并进行验证，根据仿真结果建立得到所述海流干扰模型。
[0014]其有益效果为：将水下环境中对水下机器人定位结果影响最大的水流扰动考虑在内来对水下机器人进行定位，提高了定位精度。而且，进行水动力学仿真建立得到海流干扰模型，进而利用建立的海流干扰模型便可快速计算得到水下机器人的当前水流扰动。
[0015]为解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种水下机器人，包括位姿定位装置、动力推进系统和控制系统；所述位姿定位装置用于获取水下机器人的当前位姿；所述动力推进系统包括多个推进器，用于依据计算出的各个推进器的推进量动作，以改变水下机器人的位姿使水下机器人完成定点作业任务；所述控制系统用于将水下机器人的期望位姿和当前位姿作差，得到位姿误差，且期望位姿依据作业目标确定；将位姿误差和环境干扰输入至神经网络控制器中，以得到动力推进系统中各推进器的推进量。
[0016]其有益效果为：本专利技术的水下机器人包括位姿定位装置、动力推进系统和控制系统，其中的控制系统中部署有神经网络控制器，该神经网络控制器可依据水下机器人当前位姿和期望位姿之间的偏差以及环境干扰，计算出最佳的各个推进器的推进量，使各推进器依据得到的推进量工作即可，从而实现实时控制水下机器人位姿，逐渐减少水下机器人当前位姿和期望位姿之间的误差，使水下机器人完成定点作业任务。而且，整个控制过程中，将环境干扰考虑在内，使得到的推进量能够克服环境干扰，保证了水下机器人定位精度。
[0017]进一步地，所述当前位姿为世界坐标系下的当前位姿，所述位姿定位装置包括水声定位系统，所述水声定位系统用于获得水下机器人与作业目标之间的当前相对位姿；需将当前相对位姿进行坐标转换得到水下机器人在世界坐标系下的当前位姿。
[0018]其有益效果为：利用水声定位系统来获取水下机器人的当前位姿，能够准确得到水下机器人的当前位姿。
[0019]进一步地，推进系统的推进量为：
[0020]T＝f2(W2f1(W1P+b1)+b2)
[0021]式中，T＝[T1 T2
ꢀ……ꢀ
TN]T
，Ti表示各推进器的推进量，i＝1,2,
……
,N，N表示推进器的总数；P表示神经网络控制器的输入，P＝[P
1 P2]T
，P1表示位姿误差向量，P2表示环境干扰向量；f1和f2均表示传递函数；W1和W2均表示神经网络控制器中输入层到输出层的连接权值；b1和b2均表示神经网络控制器中输入单元到输出单元的阈值；W1、W2、b1和b2均经训练得到。
[0022]进一步地，所述环境干扰为水流扰动；所述水下机器人还包括辅助姿态传感器，辅助姿态传感器包括用于获取水下机器人所处环境中水流流速和流向的流速剖面仪；所述水流扰动采用如下方法确定：利用建立的海流干扰模型，确定与水下机器人当前所处环境中水流的流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人动力定位方法，其特征在于，包括如下步骤：1)获取水下机器人的当前位姿和期望位姿，期望位姿依据作业目标确定；将水下机器人的期望位姿和当前位姿作差，得到位姿误差；2)将位姿误差和环境干扰输入至神经网络控制器中，以得到动力推进系统中各推进器的推进量；3)控制各个推进器依据得到的推进量动作，以改变水下机器人的位姿使水下机器人完成定点作业任务。2.根据权利要求1所述的水下机器人动力定位方法，其特征在于，步骤1)中所述当前位姿为世界坐标系下的当前位姿；利用水声定位系统获得水下机器人与作业目标之间的当前相对位姿，并将当前相对位姿进行坐标转换得到水下机器人在世界坐标系下的当前位姿。3.根据权利要求1所述的水下机器人动力定位方法，其特征在于，步骤2)中各推进器的推进量为：T＝f2(W2f1(W1P+b1)+b2)式中，T＝[T1 T2
……
TN]
T
，Ti表示各推进器的推进量，i＝1,2,
……
,N，N表示推进器的总数；P表示神经网络控制器的输入，P＝[P
1 P2]
T
，P1表示位姿误差向量，P2表示环境干扰向量；f1和f2均表示传递函数；W1和W2均表示神经网络控制器中输入层到输出层的连接权值；b1和b2均表示神经网络控制器中输入单元到输出单元的阈值；W1、W2、b1和b2均经训练得到。4.根据权利要求1～3任一项所述的水下机器人动力定位方法，其特征在于，步骤2)中所述环境干扰为水流扰动，且所述水流扰动采用如下方法确定：利用建立的海流干扰模型，确定与水下机器人当前所处环境中水流的流速和流向对应的水流扰动干扰；其中，根据水下机器人模型进行水动力学仿真，模拟计算水下机器人在不同流速和流向水流干扰下的受力情况并进行验证，根据仿真结果建立得到所述海流干扰模型。5.一种水下机器人，其特征在于，包括位姿定位装置、动力推进系统和控制系统；所述位姿定位装置用于获取水下机器人的当前位姿；所述动力推进系统包括多个推进器，用于依据计算出的各个推进器的推进量动作，以改...

【专利技术属性】
技术研发人员：经慧祥，汪太琨，李广华，张连营，王喜梦，李治涛，侯冬冬，秦丽萍，王凯，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一三研究所，
类型：发明
国别省市：