CN111857166B - 水下机器人定深控制方法、控制装置及相应的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制方法、控制装置及相应的水下机器人，在推导任意倾角壁面内攀爬水下机器人的旋转角度与俯仰角映射关系的基础上，利用水下机器人的姿态角和履带速度信息构建了积分滑模面，设计了滑模控制律以获取左右履带速度参考值。此外，设计了基于一致性策略的控制方法以克服左右履带速度响应不一致的问题，使水下机器人在任意倾角壁面内按期望深度攀爬。根据本发明实施例的在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制方法提升水下机器人在壁面内攀爬的工作效率，需合理控制水下机器人左右行走机构的行走速度，以实现无重叠无遗漏地覆盖整个壁面。

Description

水下机器人定深控制方法、控制装置及相应的水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机 器人定深控制方法、控制装置及相应的水下机器人。

背景技术

水下机器人是海洋资源开发，海洋监测以及海洋生态保护的重要装备之一。通过搭 载不同类型的传感器和执行器，水下机器人能够有效地实现对海洋探索、开发、监测以及侦查等多项任务。

对于复杂海洋环境下的探索开发，尤其是当需要在船侧、大坝、桥墩等复杂工作面进行降落、攀爬或行走等作业任务时，就需要深入地研究开发同时具有大范围游动能力 以及局部行走和攀爬能力的水下机器人具有十分重要的研究意义，可广泛应用于海洋资 源开发和利用、海洋牧场建设、水下文化遗产保护、搜集和打捞、水库大坝的安全检查、 船舶清洗和日常保养、水下安全等领域，可促进我国海洋经济的快速发展，维护社会稳 定和国家安全，具有重要的经济和社会效益。

水下机器人通常受限于传感器探测范围或者作业工具作业范围的制约，当水下机器 人着陆并贴合到工作面后，就需要合理设计水下机器人的覆盖控制算法，以实现对工作壁面的高效率的检测或作业。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机器人攀爬定深控制是一个很有理论和实际意义的研究问题。

但是，由于水下机器人的工作需求不同，其攀爬的工作面可能是任意倾角的壁面，会造成水下机器人的姿态传感器测量存在偏差；同时，水下机器人在壁面内攀爬时通常 需要工作在近水面，波浪扰动会导致其深度传感器测量数据不准确，因此传统基于深度 传感器的水下机器人定深控制策略难以奏效。此外，水下机器人的左右行走机构的驱动 速度还存在响应不一致的问题，导致其无法实现定深攀爬。

综上所述，在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制存在以下问题：1、如何构建在任意倾角壁面中水下机器人旋转角度与俯仰角之间的映射关系；2、如何选取合 适的传感器信息以解决近水面深度传感器不可用的问题；3、左右履带负载和电机驱动 特性的不一致性，其会导致左右履带速度响应不一致；若忽略该问题，会导致水下机器 人难以实现高精度的定深控制。

发明内容

(1)技术问题

本发明面向任意倾角壁面内攀爬的水下机器人的高效作业需求，针对近水面深度传 感器不可用问题，提出了一种基于履带速度和机器人姿态角信息的水下机器人定深攀爬 控制方法、控制装置及相应的水下机器人，其能稳定地控制水下机器人沿着期望深度攀爬运动。

(2)技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制方 法，包括以下步骤：

步骤1：忽略水下机器人在贴壁后履带攀爬时的打滑，建立水下机器人的攀爬运动学方程：

其中，(x₀,y₀)和γ分别为水下机器人在壁面坐标系下的位置和航向角，

和

分别为左 右履带的真实速度，L为左右履带间距。

步骤2：如附图2所示，水下机器人在倾角为φ₀的壁面内攀爬时转动的航向角γ与机 器人相对地面坐标系的俯仰角θ之间的关系为：

tanθ＝sinφ₀tanγ。

步骤3：针对水下机器人在近水面定深攀爬的需求，考虑到深度传感器在近水面测量误差大的问题，本发明利用履带速度和俯仰角替代深度信息来构建滑模面：

其中，k₁和k₂均为大于零的常数，φ₀为水下机器人攀爬壁面的倾角，该倾角为常数；Δy 为水下机器人期望的深度下移/上移量，其为常数。

步骤4：对步骤3设计的滑模面，采用以下控制律进行控制：

其中，k₃和k₄为大于零的常数；ΔV＝V₁-V₂为左右履带期望的速度之差；sign(·)为符 号函数，g(θ,γ)可表示为

为了克服水下机器人左右履带速度响应不一致的问题，根据本发明的实施例的在任 意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制方法，还包括：

步骤5：在步骤4中获取了左右履带的速度之差的基础上，为了使水下机器人在规定 深度攀爬，最终下发给履带的期望速度为：

其中，V₁和V₂为下发至履带的期望速度；V_d为水下机器人在壁面上期望的攀爬速度，k_v1和k_v2为大于零的常数，

为左右履带真实速度之差，α∈(0,1)为常数。

根据本发明的另一方面，提供了一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制 装置，包括：积分滑模面构建模块以及滑模控制律模块；其中，所述积分滑模面构建模块运行时，执行以上步骤1-步骤3，所述滑模控制律模块运行时，执行以上步骤4。

根据本发明的实施例的水下机器人定深控制装置，还包括：一致性控制策略模块，其中，所述一致性控制策略模块运行时，执行以上步骤5。

根据本发明的又一方面，提供了一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人，包括以 上所述的水下机器人定深控制装置。

(3)有益效果

在构建水下机器人工作壁面内转动的航向角与机器人俯仰角对应关系的基础上，本 发明设计了基于机器人俯仰角和履带速度信息的积分滑模面，并利用积分滑模策略设计 了定深控制方法，来准确控制水下机器人沿着期望深度运动，以最终实现无遗漏覆盖整个工作壁面的目标。

上述控制方法提出利用机器人俯仰角+履带速度信息代替传统深度+俯仰角信息，能 有效解决因深度传感器测量误差大而导致的难以实现精确定深控制的问题。此外，通过将水下机器人在工作壁面内转动的偏航角与机器人俯仰角的对应关系和一致性收敛思 想融入至控制器的设计，上述控制方法适用于任意倾角斜面的定深攀爬。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制装置 与水下机器人交互地定深攀爬控制原理图。

图2为根据本发明实施例的水下机器人行进路线示意图。

图3为根据本范明实施例的在壁面内水下机器人旋转的航向角与机器人的俯仰角映 射关系示意图。

图4为分别采用本发明实施例的一致性策略+积分滑模控制方法、根据本发明实施例 的积分滑模控制方法(对比控制方法1)和传统基于深度信息的控制方法(对比控制方法2)下的水下机器人深度变化曲线图。

图5为分别采用本发明实施例的一致性策略+积分滑模控制方法、对比控制方法1和 对比控制方法2下的水下机器人运动轨迹图。

图6为分别采用本发明的一致性策略+积分滑模控制方法、对比控制方法1和对比控 制方法2的水下机器人俯仰角变化曲线图。

图7为采用本发明的一致性策略+积分滑模控制方法和对比控制方法1下的滑模开关 量变化曲线图。

图8a、8b为采用本发明的一致性策略+积分滑模控制方法下的左、右履带真实速度和期望速度变化曲线图。

图9a、9b为采用对比控制方法1的左、右履带真实速度和期望速度变化曲线图。

图10a、10b为采用对比控制方法2的左、右履带真实速度和期望速度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。

图1示出了一种在任意倾角壁面内攀爬的水下清洗机器人定深控制装置与水下清洗机 器人交互地定深攀爬控制原理图。如图1所示，根据本发明实施例在任意倾角壁面内攀爬 的水下清洗机器人定深控制装置可包括：积分滑模面构建模块、滑模控制律模块以及一致 性控制策略模块，其中，积分滑模面构建模块构建积分滑模面，滑模控制律模块设计滑模 控制律，一致性控制策略模块根据构建的误差项

以及期望速度V_d设计一致性控 制律。然后将左右履带的期望速度V₁和V₂下发给水下清洗机器人。

需要说明是，图1中实施例中在任意倾角壁面内攀爬的水下清洗机器人定深控制装置 独立于水下清洗机器人设置，该水下清洗机器人定深控制装置可以通过有线或者无线的方 式与水下清洗机器人实现交互。根据本发明的其它实施例，水下清洗机器人定深控制装置 还可集成设置在水下清洗机器人中。采用相互独立设置时，本领域技术人员不难理解，水 下清洗机器人定深控制装置中可设置相应的通讯模块。

图2示出了根据本发明实施例的水下清洗机器人一种工作场景下的行进路线。

本实施例以某型由多推进器混合驱动贴壁+双履带攀爬的水下清洗机器人为研究对 象。如图2所示的水下清洗机器人左右履带间距为L＝1m；水下清洗机器人初始位姿为x₀(0)＝0m，y₀(0)＝-1m，γ(0)＝10°；壁面倾角φ₀＝90°；期望深度下移量设置为 Δy＝-1m；定义左右履带初始速度分别为零，即

仿真时长设置为 100s。

为了更好地逼近实际应用场景，在仿真中利用一阶惯性环节来模拟由于左右履带负载 和电机驱动特性的不一致性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0.25s和5.25s；假设俯仰角受标准差为0.25°的高斯白 噪声干扰；在近水面深度传感器测量值受到波浪的干扰，假设其干扰模型与波浪自由表面 模型一致，具体为

Δη(x,t)＝Acos(kx-wt)

其中，A＝0.1为波幅，w＝0.5π为圆周频率，k＝2为6.28m距离内波的数目。

此外，控制参数设置为k₁＝k₂＝1，k₃＝0.15，k₄＝0.03，k_v1＝0.3，k_v2＝0.003，α＝0.9。

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

其中，(x₀,y₀)和γ分别为水下清洗机器人在壁面坐标系下的位置和航向角，

和

分别 为左右履带的真实速度，L为左右履带间距。

步骤2：如附图3所示，水下清洗机器人在倾角为φ₀的待清洗壁面内，且其转动的航 向角为γ，定义A、B、C三个点。在ΔABC内，由于AB＝r₁ tanγ，BC＝r₁ tanθ，且 ∠BCA＝90°，∠BAC＝φ₀，则可推导：

水下清洗机器人在倾角为φ₀的待清洗壁面内转动的航向角γ与机器人相对地坐标系 的俯仰角θ之间的关系为：

tanθ＝sinφ₀tanγ

步骤3：针对水下清洗机器人在近水面贴合船壁定深攀爬的需求，考虑到深度传感器在近水面测量误差大的问题，本发明利用履带速度和俯仰角替代深度信息来构建滑模面：

其中，k₁和k₂为大于零的常数，φ₀为待清洗壁面的倾角；Δy为相对于水下清洗机器人当 前深度的期望深度下移/上移量，其为常数。

步骤4：对步骤3设计的滑模面，采用以下控制律进行控制：

其中，k₃和k₄为大于零的常数；ΔV＝V₁-V₂为左右履带期望的速度之差；sign(·)为符 号函数，g(θ,γ)可表示为

步骤5：在步骤4中获取了左右履带的速度之差的基础上，为了使水下清洗机器人在 规定深度向前攀爬，最终下发给履带的期望速度为：

其中，V₁和V₂为下发至履带的期望速度；V_d为水下清洗机器人在待清洗壁面期望的攀 爬速度，k_v1和k_v2为大于零的常数，

为左右履带真实速度之差，α∈(0,1)为常数。

对于上述控制律，下面采用李雅普诺夫稳定性原理证明其稳定性。

将最终下发给履带的期望速度V₁减期望速度V₂，可得

由于上式恒等于零，则对其求导可得

令

定义李雅普诺夫函数

对其求关于时间的导数，可得

由于k_v1和k_v2均为大于零的常数，且α∈(0,1)，则可知

可在有限时间t_f1收敛为零，即：

Δ(t＞t_f1)＝0

同时，选取李雅普诺夫函数：

对其求关于时间的导数，则有：

由于k₃和k₄均为大于零的常数，则可知滑模面s可在有限时间t_f2收敛为零，即：

s(t＞t_f2)＝0

基于此，可推导滑模面的导数在有限时间内可收敛为零，即

进一步有：

定义如下李雅普诺夫函数：

对其求关于时间的导数，则有：

利用tanθ＝sinφ₀tanγ，

可重新写为：

由于壁面倾角

机器人俯仰角

且三角函数sin()、arctan()和 tan()均为奇函数，则上式左边必小于零，即

因此，可以证明机器人俯仰角能渐近收敛至零。

当俯仰角θ趋于零时，由于滑模面s＝0，则有

通过上述稳定性分析，水下清洗机器人能通过合理调节履带速度，可在理论上保证 机器人以俯仰角为零的方式定深运动。由此可知，本发明所提的控制算法能使水下清洗机器人按预设深度稳定清洗壁面。

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定深控制。 为了验证所提方法的优越性，与本发明所提的积分滑模控制方法(对比控制方法1，执行本发明步骤1-4)和传统基于深度信息的控制方法(对比控制方法2，传统深度+俯仰 角控制方法)进行了对比。

由图4和图5可以看出，本发明所提的控制方法能较好地使机器人沿着-2m的深度航 行，其控制效果远优于基于深度信息的控制律。特别地，相对于对比方法1，本发明所 提的一致性控制策略能大幅降低机器人定深控制的超调量，能改善机器人定深控制的瞬 态收敛特性，同时也能降低机器人稳态控制误差。其中，图4中小框图为50-70s多条曲 线的局部放大图。图5中小框图为35-40m范围内多条曲线的局部放大图。

图6给出了三种方法的俯仰角变化对比图。由于近水面深度传感器测量误差的存在， 导致对比方法2的俯仰角无法收敛。通过利用履带速度代替深度传感器进行定深控制，本发明所提的控制方法能较好地解决近水面深度传感器测量误差导致的俯仰角不收敛 的问题。同时，相对于对比方法1，本发明所提的控制方法能较大地降低俯仰角超调量， 其将有利于改善机器人的瞬态运动特性。图6中小框图为40-50s时间范围内多条曲线的 局部放大图。

图7为所提的控制方法和对比控制方法1的积分滑模面的变化曲线图。从图中可以看 出，两种控制方法均能是滑模面在有限时间内收敛为零。图7中小框图为40-50s范围内多条区县局部放大图。

图8a、图8b、图9a、图9b、图10a和图10b分别为所提的控制方法、对比控制方法1 和对比控制方法2的水下机器人左右履带真实速度和期望速度的变化曲线图。相对于对 比方法1，本发明所提的一致性控制策略通过改变机器人左右履带期望速度来克服左右 履带响应不一致造成的控制效果差的问题。图8a、图8b、图9a、图9b、图10a和图10b 中小框图均表示相应时间轴时段内的局部放大图。

从上述仿真结果表明所提算法能使使水下机器人按期望侧深度攀爬，同时还能保证 机器人具有较好瞬态运动特性和较小稳态控制误差。

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 (5)

1.一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制方法，其特征在于，所述在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制方法包括以下步骤：

步骤1：建立水下机器人的攀爬运动学方程：

其中，(x₀,y₀)和γ分别为水下机器人在壁面坐标系下的位置和航向角，

和

分别为水下机器人左右履带的真实速度，L为水下机器人左右履带间距；

步骤2：水下机器人在倾角为φ₀的壁面内攀爬时转动的航向角γ与水下机器人相对地面坐标系的俯仰角θ之间的关系为：

tanθ＝sinφ₀tanγ；

步骤3：利用履带速度和俯仰角θ替代深度信息来构建滑模面：

其中，k₁和k₂均为大于零的常数，φ₀为水下机器人攀爬壁面的倾角，该倾角为常数；Δy为水下机器人期望的深度下移/上移量，其为常数；

步骤4：对步骤3构建的滑模面，采用以下控制律进行控制：

其中，k₃和k₄为大于零的常数；ΔV＝V₁-V₂为水下机器人左右履带期望的速度之差；sign(·)为符号函数，g(θ,γ)可表示为

2.根据权利要求1所述的水下机器人定深控制方法，其特征在于，所述水下机器人定深控制方法还包括：

步骤5：定义水下机器人左右履带的期望速度为：

其中，V₁和V₂为水下机器人左右履带的期望速度；V_d为水下机器人在壁面上期望的攀爬速度，k_v1和k_v2为大于零的常数，

为水下机器人左右履带真实速度之差，α∈(0,1)为常数。

3.一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制装置，其特征在于，所述在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制装置包括：积分滑模面构建模块以及滑模控制律模块；其中，所述积分滑模面构建模块运行时，执行权利要求1中步骤1-步骤3，所述滑模控制律模块运行时，执行权利要求1中步骤4。

4.根据权利要求3所述的水下机器人定深控制装置，其特征在于，所述水下机器人定深控制装置还包括：一致性控制策略模块，其中，所述一致性控制策略模块运行时，执行权利要求2中步骤5。

5.一种在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人，其特征在于，所述在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人包括权利要求3或者4所述的在任意倾角壁面内攀爬的水下机器人定深控制装置。

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