CN111731449A - 一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对一型由多推进器混合驱动贴壁+双履带行走的水下清洗机器人提出一种侧向偏移量控制方法。为了提升水下清洗机器人的清洗效率，需合理控制左右履带的转速以实现无重叠无遗漏地清洗壁面。然而左右履带转速常存在响应不一致问题，其将导致水下清洗机器人难以按期望侧移量调头，进而导致无法实现无重复无遗漏地清洗壁面。针对上述问题，在推导履带速度与调头侧移量之间关系的基础上，本发明构建了基于履带真实速度的调头侧移误差项，设计了基于一致性理论的自适应控制律，其能在线调整履带速度参考值，使水下清洗机器人按期望侧移量调头，并通过仿真验证了方法的有效性。

Description

一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法。

背景技术

相对于公路运输和航空运输，船舶运输具有营运成本低、运载量大等特点，已成为当前国内、国际间大宗货物运输的重要手段。由于常年水中航行，船舶外壳容易附着厚重坚硬的垢层。这类船舶附着物不仅会加速船体的腐蚀，缩短船舶使用寿命，而且还会使船体表面更加粗造，使航行阻力增大，进而抬高运营成本。因此，为了延长船舶使用寿命，降低船舶运营成本，需要定期清除船舶表面的附着物。

当前，多采用人工潜水方式对船舶表面进行清除，即手持锤子、铲子或喷枪等设备对附着物进行清除。这类清洗方式存在劳动强度大、危险性高、清洗效率低等问题。因此，研制水下清洗机器人来提高船舶表面附着物清除效率具有重要意义。

受限于清洗设备的尺寸，水下清洗机器人的清洗宽度通常是有限的。因此，需要合理设计水下清洗机器人的覆盖控制算法，以实现对船体表面附着物的无重复无遗漏地高效率清洗。沿着预定规划路径循环式覆盖方法作为一种实用简单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，面向左右履带驱动的水下清洗机器人调头侧移量的控制是一个很有理论和实际意义的研究问题。

但是，目前针对水下清洗机器人研究都是针对理想情况的分析，而在实际工程应用中，我们发现对于左右履带驱动的水下清洗机器人，由于左右履带负载的不一致性，以及左右履带的驱动电机特性的不一致性，均会导致调头侧移量存在控制误差。因此，如何设计合适的调头控制方法以抵抗上述实际干扰因素，是一个迫切需要研究的问题。

发明内容

要解决的技术问题

在面向无重复无遗漏地清洗船体表面需求下，采用左右履带驱动的水下清洗机器人调头侧移量的控制还存在以下两个问题：

1、如何构造左右履带速度与调头侧移量之间关系；

2、左右履带负载和电机驱动特性的不一致性导致的左右履带速度响应不一致；

针对上述问题，本发明提出一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法，能有效地抵抗左右履带负载和电机驱动特性不一致造成的干扰，保证控制系统有良好的性能。

技术方案

所述一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：忽略水下清洗机器人在贴壁后履带行走时的打滑，建立水下清洗机器人的运动学方程：

其中，(x,y)和ψ分别为清洗机器人的位置和航向角，

和

分别为左右履带的真实速度，L为左右履带间距；

步骤2：当左右履带转速分别为

和

时，水下清洗机器人当前旋转原点距离水下机器人中心点距离y_L表示为

当

时，水下清洗机器人沿着直线运动，不存在旋转原点；当

时，水下清洗机器人围绕其中心点旋转；

步骤3：为了使调头侧移量为y_c，需保证水下清洗机器人按期望侧移方向，以偏离机器人中心

处的坐标点为旋转原点旋转180°来实现调头：

稳定收敛为零，则有

此时水下清洗机器人左右履带相对旋转原点的角速度大小应当保持一致，方向应当相反，满足以下关系式：

步骤4：利用一致性算法，来设计调头侧移量控制律：

进行水下清洗机器人调头控制，其中V₁和V₂为期望的履带速度；y_c为水下清洗机器人期望的调头侧移量；K₁和K₂均为大于零的常数。

有益效果

本发明在构造调头侧移量与左右履带速度之间关系的基础上，利用一致性收敛原理设计水下了清洗机器人调头侧移量闭环控制方法，其通过在线调节期望履带速度，来主动适应由于左右履带负载和驱动特性的差异性造成的不确定干扰，以达到准确控制水下清洗机器人调头侧移量的目的。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

附图1为水下清洗机器人调头侧移量控制系统示意图。

附图2为水下清洗机器人旋转原点生成机制示意图。

附图3为水下清洗机器人调头运动轨迹图。

附图4为水下清洗机器人左右履带速度变化曲线图。

附图5为水下清洗机器人调头侧移量变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施来描述本发明：

本实施例以某型由多推进器混合驱动贴壁+双履带行走的水下清洗机器人为研究对象。水下清洗机器人的左右履带间距为L＝1m；水下清洗机器人期望的调头下移量设置为y_c＝0.2m，且定义初始位置和初始航向角均为零，即x(0)＝y(0)＝ψ(0)＝0；定义左右履带初始速度分别为

仿真中利用一阶惯性环节来模拟外界干扰造成的左右履带速度响应特性不一致问题，其中，左右履带的一阶惯性环节时间常数分别设置为1s和2s；此外，控制参数设置为K₁＝K₂＝1。

步骤1：由于多推进器混合驱动实现贴壁，因此可以忽略水下清洗机器人在贴壁后履带行走时的打滑，建立水下清洗机器人的运动学方程：

其中，(x,y)和ψ分别为清洗机器人的位置和航向角，

和

分别为左右履带的真实速度，L为左右履带间距。

步骤2：如图2所示，当左右履带转速分别为

和

时，水下清洗机器人当前旋转原点距离水下机器人中心点距离y_L可表示为

当

时，水下清洗机器人沿着直线运动，不存在旋转原点；当

时，水下清洗机器人围绕其中心点旋转。

步骤3：为了使调头侧移量为y_c，则需保证水下清洗机器人按期望侧移方向，以偏离机器人中心

处的坐标点为旋转原点旋转180°来实现调头，即需要确保

能稳定收敛为零，则有

因此，水下清洗机器人左右履带相对旋转原点的角速度大小应当保持一致，方向应当相反，即满足以下关系式：

在实际工程中，水下清洗机器人左右履带负载的不一致性，以及左右履带的驱动电机特性的不一致性，均会导致调头侧移量存在控制误差。为了削弱上述干扰因素的不利影响，需要设计合理的自适应调节机制，以确保水下清洗机器人的当前旋转中心能收敛于期望的旋转中心，即保证

步骤4：利用一致性算法，来设计调头侧移量控制律：

其中，

和

为霍尔元件获取的左右履带真实速度；V₁和V₂为期望的履带速度；y_c为水下清洗机器人期望的调头侧移量；K₁和K₂均为大于零的常数，应该根据实际工况选择这两个参数，保证机器人以期望的时间使左右履带速度“一致性”收敛；初始期望履带速度V₁(0)和V₂(0)可根据实际情况来选取。

针对本实施例中的水下清洗机器人运动模型，采用上述的控制方法进行调头控制。为了验证所提方法的优越性，本发明与传统开环控制律

进行了对比。由图3可以看出，由于左右履带速度响应差异性的存在，传统开环控制律会使水下清洗机器人产生严重的后退现象，而本发明所提方法能较好地抑制这种现象。图4给出了水下清洗机器人左右履带速度变化曲线，其结果表明一致性算法能较好地调整左右履带的速度。图5为水下清洗机器人调头侧移量变化曲线图，其验证了本发明所提的方法能使该机器人的调头侧移量收敛至期望值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：忽略水下清洗机器人在贴壁后履带行走时的打滑，建立水下清洗机器人的运动学方程：

其中，(x,y)和ψ分别为清洗机器人的位置和航向角，

和

分别为左右履带的真实速度，L为左右履带间距；

步骤2：当左右履带转速分别为

和

时，水下清洗机器人当前旋转原点距离水下机器人中心点距离y_L表示为

当

时，水下清洗机器人沿着直线运动，不存在旋转原点；当

时，水下清洗机器人围绕其中心点旋转；

步骤3：为了使调头侧移量为y_c，需保证水下清洗机器人按期望侧移方向，以偏离机器人中心

处的坐标点为旋转原点旋转180°来实现调头：

稳定收敛为零，则有

此时水下清洗机器人左右履带相对旋转原点的角速度大小应当保持一致，方向应当相反，满足以下关系式：

步骤4：利用一致性算法，来设计调头侧移量控制律：

进行水下清洗机器人调头控制，其中V₁和V₂为期望的履带速度；y_c为水下清洗机器人期望的调头侧移量；K₁和K₂均为大于零的控制参数常数。

2.根据权利要求1所述一种基于一致性算法的水下清洗机器人调头侧移量控制方法，其特征在于：控制参数设置为K₁＝K₂＝1。

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