一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法技术

本发明专利技术是一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法。本发明专利技术涉及水下运载器

【技术实现步骤摘要】
一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法


[0001]本专利技术涉及水下运载器
‑
机械手系统作业优化
，是一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法。

技术介绍

[0002]为满足我国探测开发海洋资源与发展深海作业技术的需要，水下运载器
‑
机械手系统(Underwater Vehicle
‑
Manipulator System,UVMS)，成为现阶段水下作业较为有效的手段。其可代替蛙人满足深海作业的需求，实现深海大范围的连续作业，能够更加有效的开发海洋资源并实现复杂环境下的作业需要。
[0003]目前，水下运载器
‑
机械手存在着艇体运动过程中阻力较大、机械手作业时对艇体扰动大的问题。因此，对于水下运载器
‑
机械手的优化，主要方向在于对作业路程、机械手作业对艇体的扰动和水下运载器
‑
机械手运动过程的阻力的优化。
[0004]水下运载器
‑
机械手的运动优化过程实际上是一个约束多目标函数求解过程，对于优化过程中的约束多目标函数求解过程，往往使用少参数的骨干粒子群优化算法。但是传统的骨干粒子群算法存在着容易丢失种群多样性和陷入早熟收敛的缺点。对此，本专利技术针对水下运载器
‑
机械手的运动优化过程提出一种具有良好多样性、收敛性且能够避免陷入局部最优的改善骨干粒子群优化算法来实现对水下运载器
‑
机械手的运动优化。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种能够对作业路程、机械手作业对艇体的扰动和水下运载器
‑
机械手运动过程的阻力进行运动优化的方法，能够改善水下运载器
‑
机械手系统的工作效率、系统稳定性和能量消耗的优化的多目标优化运动优化方法。
[0006]需要说明的是，在本专利技术中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0007]本专利技术提供了一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法，本专利技术提供了以下技术方案：
[0008]一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1：进行水下运载器
‑
机械手的数学建模；
[0010]步骤2：建立水下运载器
‑
机械手的多目标最优轨迹数学模型；
[0011]步骤3：建立水下运载器
‑
机械手的安全约束；
[0012]步骤4：基于粒子群算法，进行水下运载器
‑
机械手运动优化。
[0013]优选地，所述步骤1具体为：
[0014]在已知n个关节初始角度和水下运载器位置和姿态角的情况下，通过坐标转换向外推算得到机械手末端执行器在世界坐标系中的位置和姿态的过程，通过坐标系以及机械手的雅可比矩阵，得到水下运载器
‑
机械手的微分逆运动学方程如下：
[0015][0016]其中，W
‑1＝diag(w1,w2,
…
，w
n
)是对角加权矩阵，为雅可比加权伪逆矩阵，λ是增益系数，表示关节配置下目标函数h(q)的梯度，表示水下运载器
‑
机械手系统位置信息与机械手末端执行器的位置信息之间的转换关系。
[0017]优选地，所述步骤2具体为：
[0018]步骤2.1：水下运载器
‑
机械手通过视觉系统发现目标后，通过艇体的运动到达机械手工作空间范围内的目标抓取点，在目标抓取点通过机械手的运动对目标物进行抓取，在这个过程中，设水下运载器
‑
机械手执行抓取目标时的机械手姿态q(q1,q2,q3)，目标抓取点在基础坐标系中的坐标pos
arrive
＝(p1,p2,p3)，则得到水下运载器
‑
机械手执行任务过程中艇体运动路程的优化目标函数为：
[0019][0020]步骤2.1：使得械手对艇体的扰动最优，机械手第i个连杆运动过程中产生的恢复力在惯性坐标系下的表达式为：
[0021][0022]式中，为第i个连杆的浮力，为第i个连杆的重力，m
i
和F
bi
分别为机械手第i个连杆的质量和所受浮力,表示第i个连杆坐标系到艇体坐标系的旋转矩阵；
[0023]第i个连杆运动过程中产生的恢复力矩在艇体坐标系下的表达式为为：
[0024][0025]式中，和分别为机械手第i个连杆的重心和浮心在艇体坐标系下的位置，为第i个连杆坐标系到艇体坐标系的转换矩阵，r
g
和r
b
分别为机械手第i个广义连杆的重心和浮心在其自身标系下的位置；
[0026]机械手在运动过程中的恢复力矩优化目标函数为：
[0027][0028]步骤2.3：使得水下运载器
‑
机械手运动过程阻力最优，艇体在运动过程中受到的惯性类阻力为：
[0029][0030]其中，分别表示沿艇体坐标系x、y、z方向的变速移动运动，分别表示沿艇体坐标系x、y、z方向的变速转动运动；λ
ij
表示在i方向做加速度运动，在j方向的附加质量；
[0031]艇体在运动过程中受到的粘性类阻力为：
[0032][0033]式中，ρ是水的密度；C
D
是粘性类阻力系数；R
n
是雷诺数；A是艇体在速度方向的投影横截面积；v
i
是艇体在各自由度的运动速度；
[0034]艇体运动过程受到的总阻力为：
[0035][0036]机械手的任一连杆在运动过程中受到的惯性类阻力为：
[0037][0038]式中，ρ是水的密度；D
i
为第i根连杆的直径；L
i
为第i根连杆的长度；q
i
为第i根连杆的角度；C
a
为第i根连杆的惯性类阻力系数；
[0039]机械手的任一连杆在运动过程中受到的粘性类阻力为：
[0040][0041]式中，ρ是水的密度；D
i
为第i根连杆的直径；L
i
为第i根连杆的长度；q
i
为第i根连杆的角度；C
d
为第i根连杆的粘性类阻力系数；V为固定坐标系下的水流速度；
[0042]机械手运动过程受到的总阻力为：
[0043][0044]UVMS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨干粒子群优化算法的水下运载器机械手运动优化方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤1：进行水下运载器
‑
机械手的数学建模；步骤2：建立水下运载器
‑
机械手的多目标最优轨迹数学模型；步骤3：建立水下运载器
‑
机械手的安全约束；步骤4：基于粒子群算法，进行水下运载器
‑
机械手运动优化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤1具体为：在已知n个关节初始角度和水下运载器位置和姿态角的情况下，通过坐标转换向外推算得到机械手末端执行器在世界坐标系中的位置和姿态的过程，通过坐标系以及机械手的雅可比矩阵，得到水下运载器
‑
机械手的微分逆运动学方程如下：其中，W
‑1＝diag(w1,w2,
…
，w
n
)是对角加权矩阵，为雅可比加权伪逆矩阵，λ是增益系数，表示关节配置下目标函数h(q)的梯度，表示水下运载器
‑
机械手系统位置信息与机械手末端执行器的位置信息之间的转换关系。3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述步骤2具体为：步骤2.1：水下运载器
‑
机械手通过视觉系统发现目标后，通过艇体的运动到达机械手工作空间范围内的目标抓取点，在目标抓取点通过机械手的运动对目标物进行抓取，在这个过程中，设水下运载器
‑
机械手执行抓取目标时的机械手姿态q(q1,q2,q3)，目标抓取点在基础坐标系中的坐标pos
arrive
＝(p1,p2,p3)，则得到水下运载器
‑
机械手执行任务过程中艇体运动路程的优化目标函数为：步骤2.1：使得械手对艇体的扰动最优，机械手第i个连杆运动过程中产生的恢复力在惯性坐标系下的表达式为：式中，为第i个连杆的浮力，为第i个连杆的重力，m
i
和F
bi
分别为机械手第i个连杆的质量和所受浮力,表示第i个连杆坐标系到艇体坐标系的旋转矩阵；第i个连杆运动过程中产生的恢复力矩在艇体坐标系下的表达式为为：式中，和分别为机械手第i个连杆的重心和浮心在艇体坐标系下的位置，为第i个连杆坐标系到艇体坐标系的转换矩阵，r
g
和r
b
分别为机械手第i个广义连杆的重心和浮心在其自身标系下的位置；机械手在运动过程中的恢复力矩优化目标函数为：
步骤2.3：使得水下运载器
‑
机械手运动过程阻力最优，艇体在运动过程中受到的惯性类阻力为：其中，分别表示沿艇体坐标系x、y、z方向的变速移动运动，分别表示沿艇体坐标系x、y、z方向的变速转动运动；λ
ij
表示在i方向做加速度运动，在j方向的附加质量；艇体在运动过程中受到的粘性类阻力为：式中，ρ是水的密度；C
D
是粘性类阻力系数；R
n
是雷诺数；A是艇体在速度方向的投影横截面积；v
i
是艇体在各自由度的运动速度；艇体运动过程受到的总阻力为：机械手的任一连杆在运动过程中受到的惯性类阻力为：式中，ρ是水的密度；D
i
为第i根连杆的直径；L
i
为第i根连杆的长度；q
i
为第i根连杆的角度；C
a
为第i根连杆的惯性类阻力系数；机械手的任一连杆在运动过程中受到的粘性类阻力为：式中，ρ是水的密度；D
i
为第i根连杆的直径；L
i
为第i根连杆的长度；q
i
为第i根连杆的角度；C
d
为第i根连杆的粘性类阻力系数；V为固定坐标系下的水流速度；机械手运动过程受到的总阻力为：UVMS在运动过程中受到的阻力的优化目标函数为：minf3(q1,q2,q3)＝F
V
+F
m
。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述步骤3具体为：根据水下运载器
‑
机械手的作业情况，对艇体、机械手和视野范围分别进行安全约束，表达式如下：式中，H(t)表示水下运载器
‑
机械手与海底的高度距离，H
max
，H
min
分别表示水下运载器
‑
机械手抓取任务过程中，其与海底高度距离的最大值和最小值；水下运载器
‑
机械手的机械手在执行操作任务的过程中，需要将各个关节保持在明确定义范围内，以免关节在运动过程中超出其结构限制，表达式如下：式中，q
imax
、q
imin
(i＝1,2,
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海，姜涛，石健，张宗羽，王兆群，孙溢泽，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：