CN113296524A - 水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法 - Google Patents

水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法，所述机器人赤道面周向分布四组腿部机构，每组所述腿部机构至少包括依次连接的第一水平转动关节、第一连杆、第一垂直转动关节及远端连接的推进器，所述方法包括：S1，建立所述机器人的多种运动模式，所述多种运动模式至少包括“H”型运动模式、“工”型运动模式和“X”型运动模式；S2，建立所述多种运动模式分别对应的运动模型，所述运动模型至少包括“H”型运动模型、“工”型运动模型和“X”型运动模型；S3，根据多个所述运动模型建立多并联PID控制模型，设定期望航迹点，以所述机器人的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换所述运动模式，闭环控制所述机器人运动。

Description

水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法
技术领域
本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法。
背景技术
随着海洋开发活动越来越频繁和深入，对海洋探测技术和设备的需求也越来越高。常规AUV、UUV等鱼雷状流线型水下航行器，适合远距离快速运动的任务设定，无法满足狭窄空间内的高精度的位置和位姿控制应用需求。针对水下狭窄空间环境，大量研究人员开始研发小型水下机器人。2012 年，英国曼彻斯特大学和牛津大学合作研制出了“MK”系列球形水下球形机器人。该球形机器人的赤道面外部安装了六个对称的推进器，球壳直径仅0.15m，该研究团队针对该机器人采用滑模方法对其运动控制进行了研究，以提高其执行任务的稳定性和抗扰性。北京邮电大学孙汉旭教授团队多年来致力于球形机器人的研制工作，己研制出BYSQ-1、BYSQ-2和BYSQ-3三代水下机器人样机。
近年来，国内外对基于矢量运动控制的水下机器人研究较多。2016年，美国国际水下机器人大赛中，康内尔大学代表队研制的水下机器人Thor采用了矢量化推进系统。该机器人采用四个常规推进器和四个360度旋转推进器，在前进运动中，机器人最多采用六个推进器提供前进动力，四个推进器实现垂直运动，两个推进器实现航向调节，极大提高了推进器的利用率。
2015年，韩国首尔国立大学设计了一款水下机器人，该机器人采用四倾斜推进器，可以实现原地六自由度高难度的姿态控制。由于机器人推进器采用对角线方向布置，在快速远距离运动中存在能量的内耗，从而降低了机器人效率。
2013年，Torres等人完成一款微型四可倾斜螺旋桨的水下机器人，该机器人重2.2kg，四个推进器只能绕同一轴旋转，机器人在前进和垂直方向上运动容易实现，但是在横向运动中机器人无法完成。
2011年，Ngoc-Huy Tran等人设计了一款新型蝶形水下机器人UDR(an underwaterdisk robot)，可以实现六个自由度运动。机器人在水平方向上有三个对称推进器分布在圆形底盘周围，各推进器夹角为120度，且该推进器可绕垂直方向左右旋转30度，可实现矢量化控制。该机器人在垂直方向上采用三个推进器，可实现深度调节。
常规水下机器人适合远程高速运动，不适合低速和高精度姿态控制。矢量推进系统极大解决了这个问题。另外，在水下机器人中，矢量化推进器还有抗水流干扰能力强，机动灵活等优点。基于矢量化推进系统的水下机器人是一个多输入多输出、强耦合、非线性系统，需要对其动力学模型进行解耦处理，从而简化水下机器人的控制。
发明内容
本发明的目的是提出一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法，能够基于实时动态推力矢量分配优化机制而控制小型水下机器人三维自主运动。
有鉴于此，本发明提供了一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法，所述机器人赤道面周向分布四组腿部机构，每组所述腿部机构至少包括依次连接的第一水平转动关节、第一连杆、第一垂直转动关节及远端连接的推进器，所述方法包括：
S1，建立所述机器人的多种运动模式，所述多种运动模式至少包括“H”型运动模式、“工”型运动模式和“X”型运动模式；
S2，建立所述多种运动模式分别对应的运动模型，所述运动模型至少包括“H”型运动模型、“工”型运动模型和“X”型运动模型；
S3，根据多个所述运动模型建立多并联PID控制模型，设定期望航迹点，以所述机器人的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换所述运动模式，闭环控制所述机器人运动。
优选地，在所述步骤S2之前，建立所述机器人的驱动力-力矩模型。
优选地，所述多种运动模式是通过将各组所述腿部机构的所述第一水平转动关节旋转并锁定至不同角度形成。
优选地，在所述步骤S3中，所述位置信息包括所述机器人与所述期望航迹点的距离和方位。
优选地，将所述机器人的外界空间沿所述机器人周向划分成区域I、区域II、区域III和区域IV；所述区域I、区域II、区域III和区域IV分别作为所述机器人的前方区域、左方区域、后方区域和右方区域。
优选地，所述“以所述机器人的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换所述运动模式”包括：当所述期望航迹点与所述机器人的距离超过距离阈值且位于所述区域I或所述区域III时，启动所述“H”型运动模式；当所述期望航迹点与所述机器人的距离超过距离阈值且位于所述区域II或所述区域IV时，启动所述“工”型运动模式；当所述期望航迹点与所述机器人的距离不超过距离阈值时，启动所述“X”型运动模式。
优选地，对于所述“H”型运动模型和所述“工”型运动模型，在保持所述机器人水平推力平衡的情况下，通过假设所述机器人的其中一个推进器的水平方向推力为0，而进一步优化各个所述推进器的水平方向推力。
优选地，对于所述“H”型运动模型和所述“工”型运动模型，通过假设所述机器人的其中一个推进器的垂直方向推力
Figure DEST_PATH_FDA0003038380300000021
并定义
Figure BDA0003038380310000032
Figure BDA0003038380310000033
而进一步优化各个所述推进器的垂直方向推力，其中，
Figure BDA0003038380310000034
l表示所述第一水平转动关节的转动轴与所述机器人赤道面中心的水平距离，FZ表示所述机器人沿偏航轴的推力，TY表示所述机器人绕俯仰轴的力矩，TX表示所述机器人绕翻滚轴的力矩。
优选地，对于所述“X”型运动模型，当FX+FY≥0时，令所述机器人的前方两推进器的水平方向推力分别为0，当FX+FY＜0时，令所述机器人的后方两推进器的水平方向推力分别为0，而进一步优化各个所述推进器的水平方向推力，其中，FX表示所述机器人沿翻滚轴的推力，FY表示所述机器人沿俯仰轴的推力。
优选地，对于所述“X”型运动模型，在保持所述机器人不发生翻滚和俯仰的情况下，通过调整各个所述第一垂直转动关节的转动角度，而进一步优化各个所述推进器的垂直方向推力。
通过以上技术方案，本发明能够取得以下技术效果：
1、本发明提出的基于矢量化推进的机器人是一个多输入多输出、强耦合、非线性系统，通过对其动力学模型进行解耦处理，从而简化了机器人的控制。
2、本发明提出了“H”型、“工”型和“X”型三种运动模式，根据目标切换模式，其中，“H”型和“工”型模式可以实现机器人快速长距离运动，“X”型模式可以实现机器人水下近距离高精度位置控制，同时，通过在不同运动模式对第一水平转动关节的锁定，提高了机器人的稳定性。
3、本发明提供的方法根据期望航迹点位置需求，以路径和能耗最小化为目标，进行运动模式优劣评估并自主切换，建立多并联PID控制算法实现闭环运动控制，并联PID控制算法能输出达到预期效果的机器人期望力-力矩矩阵。
4、本发明将“H”型、“工”型和“X”型运动模型分别解耦成两个子系统：水平模型和垂直模型，通过机器人期望力-力矩矩阵，提出实时动态推力矢量分配优化机制，以最小化喷水推进器推力为目的，对机器人关节角度和喷水推进器推力进行优化输出。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的整体示意图；
图2是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的仰视图；
图3是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的腿部机构的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人及其推力矢量分配优化方法的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水平面驱动系统力学分析示意图；
图6是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的单腿推力分析示意图；
图7是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的“H”运动模式示意图；
图8是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的“工”运动模式示意图；
图9是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的“X”运动模式示意图；
图10是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的多并联 PID控制模型示意图；
图11是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的组成单元示意图。
图中，100水下仿生球形/半球形机器人、10赤道面、11赤道面中心、 12连接位、20腿部机构、21第一水平转动关节、22第一连杆、23第一垂直转动关节、24推进器、25第二连杆、26第二垂直转动关节、30底盘、201 第一腿部机构、202第二腿部机构、203第三腿部机构、204第四腿部机构、处理器301、存储器302。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的示意图。
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的仰视图。
参见图3，图3是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的腿部机构的示意图。
本发明的水下仿生球形/半球形机器人100的赤道面10周向分布至少四组腿部机构20，每组腿部机构20至少包括依次连接的第一水平转动关节21、第一连杆22、第一垂直转动关节23及远端连接的推进器24。在一优选的实施方式中，每组腿部机构20还包括第二垂直转动关节26和第二连杆25，具体的，每组腿部机构20由第一水平转动关节21、第一连杆22、第二垂直转动关节26、第二连杆25、第一垂直转动关节23及推进器24从近端至远端依次连接构成。在机器人的底盘30上，沿赤道面10周向等间隔(角度)设置连接位12。各组腿部机构20的第一水平转动关节21分别连接于对应的连接位12上。优选地，水下仿生球形/半球形机器人100包括四组腿部机构20；底盘30上设置四个连接位12。
实施例1
参见图4，图4是一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法的示意图。
本发明一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法，包括：
S1，建立所述机器人的多种运动模式，所述多种运动模式至少包括“H”型运动模式、“工”型运动模式和“X”型运动模式；
S2，建立所述多种运动模式分别对应的运动模型，所述运动模型至少包括“H”型运动模型、“工”型运动模型和“X”型运动模型；
S3，根据多个所述运动模型建立多并联PID控制模型，设定期望航迹点，以所述机器人的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换所述运动模式，闭环控制所述机器人运动。
进一步的，在步骤S2之前，建立所述机器人的驱动力-力矩模型。如图 5-6所示，各组腿部机构20的第一水平转动关节21由舵机驱动，第一水平转动关节21的转动轴与机器人100的赤道面中心11的水平距离为l。每组腿部机构20的控制参数为3个，分别是第一水平转动关节21的转动角度
Figure BDA0003038380310000061
第一垂直转动关节23的转动角度
Figure BDA0003038380310000062
推进器推力Fi。在一优选的实施方式中，每组腿部机构20还包括第二垂直转动关节26和第二连杆25，因而还包括，第二垂直转动关节26转动角度
Figure BDA0003038380310000063
具体的，OB-XBYBZB为机器人本体的空间直角坐标系，其中，坐标系原点OB位于赤道面中心11，XB轴的正方向朝向机器人100的正前方，ZB轴的正方向朝向机器人100的正下方，YB轴根据右手定则确定。上述XB轴为机器人的翻滚轴，YB轴为机器人的俯仰轴， ZB轴为机器人的偏航轴。Fi为各个腿部机构20的推进器推力，
Figure BDA0003038380310000064
和
Figure BDA0003038380310000065
分别为各个推进器24在水平和垂直方向的推力分量，
Figure BDA0003038380310000066
和
Figure BDA0003038380310000067
分别为各个推进器的水平推力
Figure BDA0003038380310000068
在其推进器坐标系X和Y方向的推力分量，
Figure BDA0003038380310000069
为各个腿部机构 20的第一水平转动关节21与YB轴的夹角，
Figure BDA00030383803100000610
为各个腿部机构20的第一连杆 21与第二连杆25的夹角，
Figure BDA00030383803100000611
为各个腿部机构20的第二连杆25与Fi的夹角。
机器人100的驱动力-力矩模型建立如下：
机器人100沿XB轴和YB轴的推力分别为：
Figure BDA00030383803100000612
Figure BDA00030383803100000613
机器人100绕ZB轴的力矩为：
Figure BDA0003038380310000071
机器人100沿ZB轴的推力：
Figure BDA0003038380310000072
机器人100绕XB轴和YB轴的力矩分别为：
Figure BDA0003038380310000073
Figure BDA0003038380310000074
因此，推力矩阵FB＝[FX FY FZ]T可以表示为：
FB＝MFFP
其中，FP＝[F1 F2 F3 F4]T为机器人100的推进器推力向量，且推力关系矩阵MF为：
Figure BDA0003038380310000075
故而，机器人100的驱动力矩矩阵可得：TB＝alMTFP，其中，
Figure BDA0003038380310000078
进一步，力矩关系矩阵MT为：
Figure BDA0003038380310000076
因此，机器人100的推力和力矩向量可以得到：
Figure BDA0003038380310000077
上式中，各参数上角标i表示腿部机构20的编号，取值1,2,3,4；si、ci、 sij、cij和(cs)i分别表示sinθi、cosθi、sin(θi+θj)、cos(θi+θj)、cosθi-sinθi。
进一步的，多种运动模式是通过将各组腿部机构20的第一水平转动关节21旋转并锁定至不同角度形成。具体地说，因为第一水平转动关节21的实时转动对机器人稳定性影响较大，所以将第一水平转动关节21锁定在不同角度，并进一步提出了“H”型、“工”型和“X”型三种运动模式。
如图7-9所示，以机器人赤道面中心11指向各个连接位12的延伸线为基准线(或称区域分割线)，生成垂直于赤道面10的分割面，将机器人100 的外界空间沿机器人周向划分成区域I、区域II、区域III和区域IV，将区域I、区域II、区域III和区域IV分别作为机器人的前方区域、左方区域、后方区域和右方区域。在“H”型运动模式下，第一腿部机构201和第四腿部机构204的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正前方，即与XB轴平行且朝向XB轴正方向；第二腿部机构202和第三腿部机构203的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正后方，即与XB轴平行且朝向XB轴负方向。在“工”型运动模式下，第一腿部机构201和第二腿部机构202的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正左方，即与YB轴平行且朝向YB轴负方向；第三腿部机构203和第四腿部机构204的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正右方，即与YB轴平行且朝向YB轴正方向。在“X”型运动模式下，第一腿部机构201、第二腿部机构202、第三腿部机构203和第四腿部机构204的第一连杆等角度间隔的分布，优选的，各个第一连杆的朝向分别被调整至平行于分割区域的基准线的方向。“H”型运动模式和“工”型运动模式作为巡航模式，可以并利于实现机器人100的快速长距离运动。“X”型运动模式作为位置控制模式，可以并利于实现机器人100的水下近距离高精度位置控制。具体的，“H”型运动模式和“工”型运动模式的区别在于：“H”型运动模式利于实现机器人100的进退运动，但难于实现机器人100的横移运动；“工”型运动模式利于实现机器人100的横移运动，但难于实现机器人100的进退运动。
进一步的，在步骤S3中，位置信息包括机器人与期望航迹点的距离和方位。以机器人100的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换运动模式，具体包括：首先根据机器人100与期望航迹点的距离确定是否需要启动巡航模式，如果距离超过距离阈值则启动巡航模式，否则启动位置控制模式(即“X”型运动模式)。当启动巡航模式时，再根据期望航迹点的位置，选择“H”型运动模式或“工”型运动模式。具体的，如果期望航迹点在区域I 或区域III，则启动“H”型运动模式；如果期望航迹点在区域II或区域IV，则启动“工”型运动模式。因为这种情况下，如果机器人100采用“H”型运动模式，机器人100需要旋转的角度会超过45°，而采用“工”型运动模式可有效较少机器人100需要的旋转角度。在控制过程中，通过实时调节推进器24的推力、第一垂直转动关节23的旋转角度和第二垂直转动关节26 的旋转角度，实现机器人100的纵向和/或横向移动，以及下潜和/或上浮运动。
进一步的，下面对三种运动模式对应的运动模型进行优化，包括：
(1)“H”型运动模型
将“H”型运动模型分解成两个子系统：水平模型和垂直模型。水平模型包括进退和航向运动模型；垂直模型包括升沉运动模型。
在水平面，模型为:
Figure BDA0003038380310000091
为保持机器人推力平衡，需保证关系：
Figure BDA0003038380310000092
结合上式，每个推进器推力获得如下：
Figure BDA0003038380310000093
为了最小化推进器推力，首先假设其中一个推进器的推力为零。以运动方向朝向区域I为例，假设推力
Figure BDA0003038380310000094
为0。于是，推进器在XB轴上的推力特解易得。将最小推力定义为
Figure BDA0003038380310000095
则在XB轴上，各个推进器优化后的推力
Figure BDA0003038380310000096
易得：
Figure BDA0003038380310000097
在垂直方向上，控制模型描述为：
Figure BDA0003038380310000098
可得，机器人推进器在ZB轴上推力为：
Figure BDA0003038380310000099
其中，
Figure BDA00030383803100000910
和
Figure BDA00030383803100000911
随着
Figure BDA00030383803100000912
增大而减小，但是
Figure BDA00030383803100000913
和
Figure BDA00030383803100000914
随着
Figure BDA00030383803100000915
增大而增大。
于是，令
Figure BDA00030383803100000916
为了最小化推进器推力，推力
Figure BDA00030383803100000917
定义为：
Figure BDA00030383803100000918
可得，在ZB轴上，各个推进器优化后的推力(
Figure BDA00030383803100000919
和
Figure BDA00030383803100000920
)为：
Figure BDA00030383803100000921
上式中，
Figure BDA00030383803100000922
l表示第一水平转动关节21的转动轴与机器人赤道面中心11的水平距离，FZ表示机器人100沿偏航轴的推力，TY表示机器人 100绕俯仰轴的力矩，TX表示机器人100绕翻滚轴的力矩。
通过得到的推进器i在XB轴优化后的推力
Figure BDA0003038380310000101
和在ZB轴优化后的推力
Figure BDA0003038380310000102
将推进器i推力Fi初步计算为：
Figure BDA0003038380310000103
进一步的，由于第一垂直转动关节23的转动区间大，能满足机器人推力方向改变需要，因而可以将第二垂直转动关节26的转动角度设置为定值，优选地，保证第二连杆25水平。从而，第一垂直转动关节23的角度θ3i表示为：
Figure BDA0003038380310000104
在一实施例中，由于推进器推力(0≤Fi≤2.4N,Fmax＝2.4N)和第一垂直转动关节23的转动角度(
Figure BDA0003038380310000105
(θ3)min＝-π/6)限制，上式计算出的角度，机器人100的各关节可能无法达到。因此，进一步提出了推进器推力和腿部机构的关节角度优化机制，如表1所示。
表1“H”型运动模式中关节角度和推进器推力优化机制伪代码
Figure BDA0003038380310000106
表1中，各关节角度和推进器推力优化机制伪代码的最终效果是将超过机械元件(包括实现第一垂直转动关节转动的舵机、实现推进器推力的喷水推进器)调整范围的计算值，限定为机械关节元件可实现的角度阈值或推进器的推力阈值。
(2)“工”型运动模型
将“工”型运动模型分解成两个子系统：水平模型和垂直模型。水平模型包括进退和航向运动模型；垂直模型包括升沉运动模型。
在水平面，模型为:
Figure BDA0003038380310000107
为保持机器人推力平衡，需保证关系：
Figure BDA0003038380310000108
结合上式，每个推进器推力获得如下：
Figure BDA0003038380310000111
为了最小化推进器推力，首先假设其中一个推进器的推力为零。以运动方向朝向区域II为例，假设推力
Figure BDA0003038380310000112
为0。于是，推进器在YB轴上的推力特解易得。将最小推力定义为
Figure BDA0003038380310000113
则在YB轴上，各个推进器推力
Figure BDA0003038380310000114
易得：
Figure BDA0003038380310000115
在垂直方向上，控制模型描述为：
Figure BDA0003038380310000116
可得，机器人推进器在ZB轴上推力为：
Figure BDA0003038380310000117
其中，
Figure BDA0003038380310000118
和
Figure BDA0003038380310000119
随着
Figure BDA00030383803100001110
增大而减小，但是
Figure BDA00030383803100001111
和
Figure BDA00030383803100001112
随着
Figure BDA00030383803100001113
增大而增大。
于是，令
Figure BDA00030383803100001114
为了最小化推进器推力，推力
Figure BDA00030383803100001115
定义为：
Figure BDA00030383803100001116
可得，在ZB轴上，各个推进器优化后的推力(
Figure BDA00030383803100001117
和
Figure BDA00030383803100001118
)为：
Figure BDA00030383803100001119
通过得到的推进器i在YB轴优化后的推力
Figure BDA00030383803100001120
和在ZB轴优化后的推力
Figure BDA00030383803100001121
将推进器i推力Fi初步计算为：
Figure BDA00030383803100001122
进一步的，由于第一垂直转动关节23的转动区间大，能满足机器人推力方向改变需要，因而可以将第二垂直转动关节26的转动角度设置为定值，优选地，保证第二连杆25水平。从而，第一垂直转动关节23的角度
Figure BDA00030383803100001123
为表示：
Figure BDA00030383803100001124
在一实施例中，由于推进器推力(0≤Fi≤2.4N,Fmax＝2.4N)和第一垂直转动关节23的转动角度(
Figure BDA0003038380310000121
(θ3)min＝-π/6)限制，上式计算出的角度，机器人100的各关节可能无法达到。因此，进一步提出了推进器推力和腿部机构的关节角度优化机制，如表2所示。
表2“工”型运动模式中关节角度和推进器推力优化机制伪代码
Figure BDA0003038380310000122
表2中，各关节角度和推进器推力优化机制伪代码的最终效果是将超过机械元件(包括实现第一垂直转动关节转动的舵机、实现推进器推力的喷水推进器)调整范围的计算值，限定为机械关节元件可实现的角度阈值或推进器的推力阈值。
(3)“X”型运动模型
“X”型运动模型同样分解成两个子系统：水平模型和垂直模型。水平模型包括进退和横移运动模型；垂直模型包括升沉运动模型。
水平方向上，易得：
Figure BDA0003038380310000123
通过上式，易得：
Figure BDA0003038380310000124
若FX+FY≥0，令
Figure BDA0003038380310000125
且
Figure BDA0003038380310000126
则有
Figure BDA0003038380310000127
若FX+FY＜0，令
Figure BDA0003038380310000128
且
Figure BDA0003038380310000129
则有
Figure BDA00030383803100001210
在垂直方向上，为保证机器人不发生roll和pitch翻滚，并且简化控制模型，则有
Figure BDA0003038380310000131
在一实施例中，对于水下“X”型运动模式，机器人100的第一垂直转动关节23转动范围
Figure BDA0003038380310000132
为[-π/6 π/6]，则有
Figure BDA0003038380310000133
为减少机器人100在垂直方向运动过程中产生水平推力，取角度
Figure BDA0003038380310000134
最大值或者最小值，则机器人100的推进器产生的最小推力为
Figure BDA0003038380310000135
或
Figure BDA0003038380310000136
进一步的，机器人100的各个推进器产生的水平推力优化为
Figure BDA0003038380310000137
并重新规划第一垂直转动关节23的转动角度
Figure BDA0003038380310000138
且满足条件为
Figure BDA0003038380310000139
本申请利用多并联PID控制，以位置和姿态角为反馈信息，闭环控制机器人运动。如图10所示，并联PID控制器将会输出达到预期效果的参考力 FB＝[FX FY FZ]和力矩TB＝[TX TY TZ]，再采用对应运动模式的实时动态推力矢量分配策略获得每个腿部机构20的关节角度和推进器推力，控制各个关节和推进器的输出。
实施例2
参见图11，一种水下仿生球形/半球形机器人100，包括处理器301、存储器302以及存储在所述存储器302中且被配置为由所述处理器301执行的计算机程序，所述处理器301执行所述计算机程序时实现如上述的推力矢量分配优化方法。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器302中，并由所述处理器301执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述机器人100中的执行过程。
需说明的是，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下仿生球形/半球形机器人的推力矢量分配优化方法，所述机器人赤道面周向分布四组腿部机构，每组所述腿部机构至少包括依次连接的第一水平转动关节、第一连杆、第一垂直转动关节及远端连接的推进器，其特征在于，所述方法包括：
S1，建立所述机器人的多种运动模式，所述多种运动模式至少包括“H”型运动模式、“工”型运动模式和“X”型运动模式；
S2，建立所述多种运动模式分别对应的运动模型，所述运动模型至少包括“H”型运动模型、“工”型运动模型和“X”型运动模型；
S3，根据多个所述运动模型建立多并联PID控制模型，设定期望航迹点，以所述机器人的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换所述运动模式，闭环控制所述机器人运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2之前，建立所述机器人的驱动力-力矩模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多种运动模式是通过将各组所述腿部机构的所述第一水平转动关节旋转并锁定至不同角度形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述位置信息包括所述机器人与所述期望航迹点的距离和方位。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述机器人的外界空间沿所述机器人周向划分成区域I、区域II、区域III和区域IV；所述区域I、区域II、区域III和区域IV分别作为所述机器人的前方区域、左方区域、后方区域和右方区域。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述“以所述机器人的位置信息和姿态角信息为反馈信息，切换所述运动模式”包括：当所述期望航迹点与所述机器人的距离超过距离阈值且位于所述区域I或所述区域III时，启动所述“H”型运动模式；当所述期望航迹点与所述机器人的距离超过距离阈值且位于所述区域II或所述区域IV时，启动所述“工”型运动模式；当所述期望航迹点与所述机器人的距离不超过距离阈值时，启动所述“X”型运动模式。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述“H”型运动模型和所述“工”型运动模型，在保持所述机器人水平推力平衡的情况下，通过假设所述机器人的其中一个推进器的水平方向推力为0，而进一步优化各个所述推进器的水平方向推力。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述“H”型运动模型和所述“工”型运动模型，通过假设所述机器人的其中一个推进器的垂直方向推力
Figure FDA0003038380300000021
并定义
Figure FDA0003038380300000022
Figure FDA0003038380300000023
而进一步优化各个所述推进器的垂直方向推力，其中，
Figure FDA0003038380300000024
l表示所述第一水平转动关节的转动轴与所述机器人赤道面中心的水平距离，FZ表示所述机器人沿偏航轴的推力，TY表示所述机器人绕俯仰轴的力矩，TX表示所述机器人绕翻滚轴的力矩。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述“X”型运动模型，当FX+FY≥0时，令所述机器人的前方两推进器的水平方向推力分别为0，当FX+FY＜0时，令所述机器人的后方两推进器的水平方向推力分别为0，而进一步优化各个所述推进器的水平方向推力，其中，FX表示所述机器人沿翻滚轴的推力，FY表示所述机器人沿俯仰轴的推力。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述“X”型运动模型，在保持所述机器人不发生翻滚和俯仰的情况下，通过调整各个所述第一垂直转动关节的转动角度，而进一步优化各个所述推进器的垂直方向推力。
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