一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统，包括根据水下机器人动力学模型得到大地坐标系下的横垂面控制模型；基于横垂面控制模型，水下机器人进行游走作业和爬行作业模式切换：当翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，采用模糊控制器对水下机器人推进器进行转速控制；当翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制器对水下机器人进行位姿控制；在达到与壁面近似平行的期望角度时，水下机器人推进器对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面。能够有效的进行水下机器人水下作业方式间的切换，既能保证水下机器人安全作业又能符合工程需求。全作业又能符合工程需求。全作业又能符合工程需求。

【技术实现步骤摘要】
一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统


[0001]本专利技术属于水下机器人控制
，具体涉及一种变结构水下机器人作业模式切换控制方法。

技术介绍

[0002]随着社会、经济发展的需要，水下资源和空间的探索利用具备高度的战略价值。各种海洋工程设备、船舶桥梁设施、水库大坝工程、港口码头建筑都得到了飞速的发展和应用。水下设备和建筑物在长期服役过程中，水流、波浪、水生物等外部因素，以及设计、选材、应力等自身因素，都可能对水下设备、工程的表面形成裂纹、腐蚀等破坏，严重影响其使用寿命以及人员安全。
[0003]对于水下建筑、工程的基础检修，传统的方法是由专业潜水员携带一系列用于探测和维修的设备进行下潜作业。然而，水下环境复杂且危险，潜水员作业时间和作业面积相对受限，并且难以保证人员安全。
[0004]近年来水下机器人的广泛应用，逐渐取代了危险环境中的人工作业。利用水下机器人的建筑、工程检修作业目前主要采用两种方式，一种是通过遥控无人潜水器进行近壁面作业，但是该方式无法保证水下机器人长时间在动态水流环境下保持稳定悬停，并且存在操作不当发生碰撞的风险。另一种是使用水下爬壁机器人直接贴附于壁面作业，但是建筑物表面情况的差异，不同吸附机理在壁面上表现参差不齐，严重情况下极易导致移动性能差、吸附力不可靠。此外，水下机器人壁面的越障问题也使得自身结构及系统设计复杂度急剧上升。
[0005]因此，需要针对水下机器人设计具有更加有效的水下作业方式以及作业方式间的切换，既能保证水下机器人安全作业又能符合工程需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统，本专利技术变结构水下机器人同时具备游动和爬壁两种工作模式，可在接近水下结构物时切换姿态吸附至壁面进行爬壁的工作模式，若遇到难以翻越的障碍或完成工作点任务直接从壁面脱离切换至游动状态，巡游至下一个工作点重新吸附后进行爬壁作业。同时，本专利技术基于模糊生物启发反步滑模级联控制的大角度侧翻模式切换控制，可更加有效的实现作业方式间的切换。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，所述变结构水下机器人同时具备游动作业和爬壁作业两种工作模式，所述变结构水下机器人游走模式运动控制方法，包括：根据水下机器人动力学模型得到大地坐标系下的横垂面控制模型；基于横垂面控制模型，水下机器人进行游走作业和爬行作业模式切换：当翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，采用模糊控制器对水下机器
人推进器进行转速控制；当翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制器对水下机器人进行位姿控制；在达到与壁面近似平行的期望角度时，水下机器人推进器对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面，实现爬壁动作。
[0008]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的水下机器人采用开架型结构，且所有控制系统和锂电池较均集中放置在圆柱形腔体中，腔体作为整个水下机器人系统的元中心为航行器在水下提供多自由度游动的稳定性。
[0009]上述的水下机器人水平和垂直共配置8 个推进器，且水平布局的4 个推进器沿水平轴线呈45
°
角倾斜放置，满足前后左右平移及转向需求；垂直分布的4 个推进器产生垂直方向运动推力，其布局按照反桨
‑
正桨交替方式进行，抵消内部螺旋桨叶旋转过程中产生的作用扭矩，通过8 个推进器的配合使用实现水下机器人在水中六个自由度的游动。
[0010]上述的水下机器人采用非接触式吸附模式进行爬壁作业；爬壁作业中利用推进器外加吸盘外壳构成伯努利吸盘以实现吸附功能：根据水下伯努利吸盘的吸附特性，在近壁面处，当吸盘底部与壁面形成设定距离内的间隙时当作非接触式吸盘使用；爬壁作业中采用万向被动轮配合推进器驱动的方式实现壁面移动；在航行器顶部两侧各安装2 个万向被动轮，在爬壁作业中，通过万向被动轮提供的间隙，使得四个伯努利吸盘能够提供稳定的吸附力，通过调节水平安装的4 个推进器的输出力，使得航行器能够在壁面上完成三自由度的运动。
[0011]上述的水下机器人动力学模型表示为公式（1）
‑
（2）：
ꢀꢀ
（1）
ꢀꢀ
（2）其中，表示惯性矩阵，表示水下机器人在机体坐标系下的线速度，表示水下机器人在机体坐标系下的线加速度，表示粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，表示由重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，表示由推进器产生的推力，表示在大地坐标系下机器人的位姿，表示在大地坐标系下机器人的速度，表示大地坐标系和机体坐标系转换矩阵；
ꢀꢀ
（3）其中，表示水下机器人受到的重力，表示水下机器人受到的浮力，表示水下机器人在大地坐标系下的横摇角度，是水下机器人在机体坐标系中z 轴坐标；
ꢀꢀ
（4）其中，表示水下机器人运动时各个推进器的作用力，表示水平推进分布的角度，表示推进器到机器人中心位置的力臂值。
[0012]上述的将水下机器人动力学模型转化到大地坐标系，得到大地坐标系下的横垂面控制模型为：
ꢀꢀ
（5）其中，*表示为大地坐标系的各种参量，即表示大地坐标系下的惯性矩阵，表示大地坐标系下的粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，表示大地坐标系下重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，表示大地坐标系下推进器产生的推力；
ꢀꢀ
（6）
ꢀꢀ
（7）在大地坐标系下，假定仅对水下机器人横摇角进行控制，且此时刻沿y轴和z轴的速度（即，）和加速度（即，）均为 0，即，在z轴方向上存在恒定的外力作用，根据式(7)可知为了保证模式切换时机体稳定，需要在水下机器人侧翻时使用垂直和水平推进器同时进行补偿，且随角度增大垂直推进器作用减小，水平推进器作用增强。
[0013]上述的模糊控制器以当前翻转角与作业壁面平行角的偏差，即横摇角的偏差E以及偏差变化量EC作为输入量，推进器转速Y为输出量，其模糊控制策略为：（1）将横摇角的偏差E及偏差变化量EC划分为模糊子集；将推进器转速Y划分为模糊子集；选取E, EC和Y的论域；输入量与输出量均采用三角形隶属度函数；（2）基于（1）得到相应的模糊控制规则，采用MAX
‑
MIN的合成运算法则，计算模糊控制规则蕴含的模糊关系；（3）通过遍历E和EC所有的论域对模糊值进行选取，并计算模糊输出值：
ꢀꢀ
（9）采用重心法进行解模糊：
ꢀꢀ
（10）式中：为模糊控制器输出量解模糊后的精确值，为模糊控制量论域内的值，为的隶属度值。
[0014]上述的生物启发反步滑模级联控制器的控制策略为：设定是期望的位姿，为实际的位姿，水下机器人位姿的误差为：
ꢀꢀ
（11）相应的滑模面与控制律设计过程为：
滑模面设计为：
ꢀꢀ
（12）其中，s是误差滑模面，表示水下机器人误差的导数，表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，所述变结构水下机器人同时具备游动和爬壁两种作业模式，其特征在于，所述变结构水下机器人游走模式运动控制方法，包括：根据水下机器人动力学模型得到大地坐标系下的横垂面控制模型；基于横垂面控制模型，水下机器人进行游走和爬行作业模式切换：当翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，采用模糊控制器对水下机器人推进器进行转速控制；当翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制器对水下机器人进行位姿控制；在达到与壁面近似平行的期望角度时，水下机器人推进器对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面，实现爬壁动作。2.根据权利要求1 所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述水下机器人采用开架型结构，且所有控制系统和锂电池较均集中放置在圆柱形腔体中，腔体作为整个水下机器人系统的元中心为航行器在水下提供多自由度游动的稳定性。3.根据权利要求2 所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述水下机器人水平方向和垂直方向各配置4 个推进器，且水平方向布局的4 个推进器沿水平轴线呈45
°
角倾斜放置，满足前后左右平移及转向需求；垂直方向分布的4 个推进器产生垂直方向运动推力，其布局按照反桨
‑
正桨交替方式进行，抵消内部螺旋桨叶旋转过程中产生的作用扭矩，通过8 个推进器的配合使用实现水下机器人在水中六个自由度的游动。4.根据权利要求3 所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述水下机器人采用非接触式吸附模式进行爬壁作业；爬壁作业中利用推进器外加吸盘外壳构成伯努利吸盘以实现吸附功能；根据水下伯努利吸盘的吸附特性，在近壁面处，当吸盘底部与壁面形成设定距离内的间隙时当作非接触式吸盘使用；爬壁作业中采用万向被动轮配合推进器驱动的方式实现壁面移动；在航行器顶部两侧各安装2 个万向被动轮，在爬壁作业中，通过万向被动轮提供的间隙，使得四个伯努利吸盘能够提供稳定的吸附力，通过调节水平安装的4 个推进器的输出力，使得航行器能够在壁面上完成三自由度的运动。5.根据权利要求1 所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，水下机器人动力学模型表示为公式（1）
‑
（2）：
ꢀꢀ
（1）
ꢀꢀ
（2）其中，表示惯性矩阵，表示水下机器人在机体坐标系下的线速度，表示水下机
器人在机体坐标系下的线加速度，表示粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，表示由重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，表示由推进器产生的推力，表示在大地坐标系下机器人的位姿，表示在大地坐标系下机器人的速度，表示大地坐标系和机体坐标系转换矩阵；
ꢀꢀ
（3）其中，表示水下机器人受到的重力，表示水下机器人受到的浮力，表示水下机器人在大地坐标系下的横摇角度，是水下机器人在机体坐标系中z 轴坐标；
ꢀꢀ
（4）其中，，n=1, 2,...,8，表示水下机器人运动时各个推进器的作用力，表示水平推进分布的角度，表示推进器到机器人中心位置的力臂值。6.根据权利要求5 所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，将水下机器人动力学模型转化到大地坐标系，得到大地坐标系下的横垂面控制模型为：
ꢀꢀ
（5）其中，*表示为大地坐标系的各种参量，即表示大地坐标系下的惯性矩阵，表示大地坐标系下的粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，表示大地坐标系下重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，表示大地坐标系下推进器产生的推力；
ꢀꢀ
（6）
ꢀꢀ
（7）在大地坐标系下，假定仅对水下机器人横摇角进行控制，且此时刻沿y轴和z轴的速度，和加速度，均为 0，即，在z轴方向上存在恒定...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹翔，孙长银，穆朝絮，王雪娆，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：