CN113848962B - 混合驱动水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法 - Google Patents

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CN113848962B CN202111226975.2A CN202111226975A CN113848962B CN 113848962 B CN113848962 B CN 113848962B CN 202111226975 A CN202111226975 A CN 202111226975A CN 113848962 B CN113848962 B CN 113848962B
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Abstract

本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种履带和推进器混合驱动水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法，所述定深定向控制方法包括：利用安装在水下机器人浮心处的姿态传感器及安装在随曲面随动的左右履带中心处姿态传感器，实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息；在此基础上，构造了面向曲形壁面上定深和定向攀爬的水下机器人运动参考量；利用水下机器人的姿态角和履带速度信息设计了滑模面，并利用滑模控制方法，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律。根据本发明可以使混合驱动水下机器人在曲面上实现稳定的定深和定向控制。

Description

混合驱动水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法
技术领域
本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种履带和推进器混合驱动的水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法。
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具有在工作壁面局部行走和攀爬能力的水下机器人。
受限于传感器探测范围或者作业工具作业范围的制约，当水下机器人贴合至工作壁面后，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检测和作业。沿着预定规划路径循环式覆盖方法作为一种实用的覆盖控制算法广泛应用于实际工程中，其核心在于对机器人的攀爬深度和航向进行精确的控制。基于此，研究面向复杂壁面稳定攀爬的水下机器人控制具有十分重要的意义。但是，由于水下机器人的工作需求不同，待攀爬的工作面的轮廓信息通常是无法先验获取的，这将导致难以协调控制水下机器人的行走机构以实现稳定攀爬。
发明内容
(1)技术问题
面向轮廓信息未知的曲形工作面攀爬的水下机器人定深和定向控制主要存在以下问题：1、如何选取合适的传感器来实时感知机器人控制器设计所需要的曲面轮廓信息；2、如何根据已感知的曲面轮廓信息来构造曲面定深和定向攀爬控制所需要的参考信息；3、如何设计合适的控制律来协调驱动水下机器人行走机构以实现在曲面的稳定定深和定向攀爬。
(2)技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种履带和推进器混合驱动的水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法，包括以下步骤：
步骤1：将姿态传感器0(即中心姿态传感器)安装在水下机器人的浮心处，其坐标系方向与水下机器人体坐标系方向一致，将姿态传感器1和2(即第一姿态传感器和第二姿态传感器)分别安装在水下机器人随曲面随动的左右履带的中心处，保证姿态传感器的y轴方向与履带中心点所在曲面的法向方向一致，利用这三个姿态传感器输出的信息实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息；
步骤2：建立履带式水下机器人攀爬曲面的运动学方程，并分别构建面向曲面定深和定向航行的运动参考量；
步骤3：利用滑模控制策略，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律。
与曲面任一点O相切的切平面的法向量
Figure BDA0003314672020000021
可推导为
Figure BDA0003314672020000022
其中，
Figure BDA0003314672020000023
为体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵，其可表示为
Figure BDA0003314672020000024
同理，向量
Figure BDA0003314672020000025
和
Figure BDA0003314672020000026
可分别表示为
Figure BDA0003314672020000027
根据本发明的实施例，分别构建面向曲面定深和定向航行的运动参考量包括：
水下机器人定深攀爬时，其参考方位角设置为
Figure BDA0003314672020000028
水下机器人定向攀爬时，其参考方位角设置为
Figure BDA0003314672020000031
式中，θd为水下机器人期望的航行俯仰角。
根据本发明的实施例，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律时，针对水下机器人在曲面定深攀爬的运动需求，定深攀爬控制律为：
Figure BDA0003314672020000032
其中，
Figure BDA0003314672020000033
Figure BDA0003314672020000034
为水下机器人左右履带的基础速度，为大于零的常数；
Figure BDA0003314672020000035
k1、k3和k4均为大于零的常数；L为左右履带之间宽度，
Figure BDA0003314672020000036
Figure BDA0003314672020000037
β1和β2分别为图4中向量
Figure BDA0003314672020000038
与向量
Figure BDA0003314672020000039
和
Figure BDA00033146720200000310
所构成的夹角，其中，cosβ1和cosβ2分别定义为
Figure BDA00033146720200000311
Figure BDA00033146720200000312
根据本发明的实施例，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律时，针对水下机器人在曲面定向攀爬的运动需求，定向攀爬控制律为：
Figure BDA00033146720200000313
其中，
Figure BDA0003314672020000041
Figure BDA0003314672020000042
为左右履带基础速度；
Figure BDA0003314672020000043
Figure BDA0003314672020000044
k5和k6均为大于零的常数；
Figure BDA0003314672020000045
为方位角误差；ψCD为矢量
Figure BDA0003314672020000046
的方位角，其可表示为
Figure BDA0003314672020000047
参考方位角的导数
Figure BDA0003314672020000048
可表示为
Figure BDA0003314672020000049
其中，
Figure BDA00033146720200000410
(3)有益效果
(1)提供了一种面向曲面稳定攀爬的履带式水下机器人定深定向控制方法；
(2)为解释履带式机器人攀爬曲面的运动机理提供了新的思路；
(3)所提的控制方法和控制装置亦可迁移至陆上履带式机器人和陆上两轮机器人，其能确保机器人在崎岖不平的曲形陆地上沿预定的路径稳定攀爬。
附图说明
附图1为履带和推进器混合驱动水下机器人在曲面上定深定向攀爬控制原理图。
附图2为地面坐标系及曲面某一点切平面上姿态传感器示意图。
附图3为履带和推进器混合驱动水下机器人安装的三个姿态传感器垂向延长线、及其交点和水平、垂直速度分解示意图。
附图4为履带和推进器混合驱动水下机器人安装的三个姿态传感器垂向延长线在水平面投影示意图。
附图5为在Gazebo环境下的履带和推进器混合驱动水下机器人和椭球体示意图。
附图6为混合驱动水下机器人做定深控制时的深度变化曲线。
附图7为混合驱动水下机器人做定深控制时的运动轨迹图。
附图8为混合驱动水下机器人做定深控制时变量M、N和滑模面s的变化曲线。
附图9为混合驱动水下机器人做定深控制时左右履带的速度。
附图10为混合驱动水下机器人做定向控制时俯仰角变化曲线。
附图11为混合驱动水下机器人做定向控制时方位角和方位角误差变化曲线。
附图12为混合驱动水下机器人做定向控制时左右履带的速度。
具体实施方式
图1为履带和推进器混合驱动水下机器人在曲面上定深定向攀爬控制原理图。面向曲面上攀爬的水下机器人的高效作业需求，考虑到待攀爬曲面轮廓信息无法先验获取的问题，本发明提出利用安装在水下机器人浮心处的姿态传感器及安装在随曲面随动的左右履带中心处姿态传感器，实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息。在此基础上，构造了面向曲形壁面上定深和定向攀爬的水下机器人参考航向角，利用水下机器人的姿态角和履带速度信息设计了滑模面，并利用滑模控制方法，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律。本发明可以使混合驱动水下机器人在曲面上实现定深和定向稳定控制。
混合驱动水下机器人可稳定地贴于壁面，因此可以忽略水下机器人在贴壁时履带打滑问题。同时，假设水下机器人攀爬的壁面为连续的凸曲面，如图2所示。为了描述曲面上任意O点切平面的法向量
Figure BDA0003314672020000051
(与体坐标系
Figure BDA0003314672020000052
方向一致)与O0y0轴平行的向量
Figure BDA0003314672020000053
之间的关系，分别建立地面坐标系O0x0y0z0和载体坐标系Oxyz。其中，载体坐标系的原点为曲面上的任意点O。
如图2所示，将姿态传感器置于载体坐标系内，且保证姿态传感器的三个轴与载体坐标系Oxyz三个轴方向一致，获取载体坐标系相对地面坐标系的姿态角为
Figure BDA0003314672020000054
其中，θ为姿态传感器的俯仰角，ψ为姿态传感器的航向角，
Figure BDA0003314672020000055
为姿态传感器的横滚角。
与曲面任一点O相切的切平面的法向量
Figure BDA0003314672020000056
可推导为
Figure BDA0003314672020000057
其中，为体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵，其可表示为
Figure BDA0003314672020000059
同理，向量
Figure BDA0003314672020000061
和
Figure BDA0003314672020000062
可分别表示为
Figure BDA0003314672020000063
针对待攀爬壁面的轮廓信息通常无法先验获取的问题，本发明提出将姿态传感器0安装在水下机器人的浮心处，其坐标系方向与水下机器人体坐标系方向一致，将姿态传感器1和2分别安装在水下机器人随曲面随动的左右履带的中心处，保证姿态传感器的y轴方向与履带中心点所在曲面的法向方向一致，利用这三个姿态传感器输出的信息实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息，三个姿态传感器安装示意图如图3所示，图中A、B两点法向量的反向延长线在地面坐标系水平面的交点为Oq。值得注意的是：在地面坐标系水平面中的交点Oq的坐标值与A、B两点的轮廓信息有关。对于曲面轮廓不规则的曲形工作，该交点通常是变化的，但圆球形曲面上的法向量交点Oq是与球心重合的，即是固定不变的。
传感器0，1和2的姿态传感器测量值分别定义为
Figure BDA0003314672020000064
和
Figure BDA0003314672020000065
其中，θ0为水下机器人的俯仰角，ψ0为水下机器人的航向角，
Figure BDA0003314672020000066
为水下机器人的横滚角；θi为第i个随动履带上的传感器的俯仰角，ψi为第i个随动履带上的传感器的航向角，
Figure BDA0003314672020000067
为第i个随动履带上的传感器的横滚角，i＝1或2。
推导水下机器人本体的法向量
Figure BDA0003314672020000068
左右履带中心处法向量
Figure BDA0003314672020000069
和
Figure BDA00033146720200000610
履带速度方向
Figure BDA00033146720200000611
和两个履带中心轴的方向向量
Figure BDA00033146720200000612
分别为
Figure BDA0003314672020000071
由于水下机器人贴壁攀爬时履带的速度方向与履带和曲面接触点处的切平面平行，且与机器人前向方向一致。为此，履带式水下机器人质心运动方程可表示为
Figure BDA0003314672020000072
其中，(x,y,z)水下机器人在地面坐标系下的位置，
Figure BDA0003314672020000073
为左右履带真实速度。
图4给出了曲面上A、B两点在地面坐标系水平面O0x0z0上的投影C、D，向量
Figure BDA0003314672020000074
Figure BDA0003314672020000075
在地面坐标系水平面O0x0z0的投影向量OqC、OqD，左右履带运动的速度矢量
Figure BDA0003314672020000076
和
Figure BDA0003314672020000077
在地面坐标系水平面O0x0z0的投影
Figure BDA0003314672020000078
其中，
Figure BDA0003314672020000079
和
Figure BDA00033146720200000710
可表示为
Figure BDA00033146720200000711
图4中的γ1和γ2分别为使向量
Figure BDA00033146720200000712
绕O0y0轴旋转至向量
Figure BDA00033146720200000713
和
Figure BDA00033146720200000714
方向的旋转角度，其可表示为
Figure BDA00033146720200000715
不同于攀爬倾斜平面，履带式水下机器人在攀爬曲面时，为了实现贴壁行走，
Figure BDA0003314672020000081
和
Figure BDA0003314672020000082
的有效速度应分别与向量
Figure BDA0003314672020000083
和
Figure BDA0003314672020000084
垂直，其可分别表示为
Figure BDA0003314672020000085
同理，
Figure BDA0003314672020000086
和
Figure BDA0003314672020000087
在垂直于向量
Figure BDA0003314672020000088
方向(与向量
Figure BDA0003314672020000089
和
Figure BDA00033146720200000810
平行)的分量
Figure BDA00033146720200000811
和
Figure BDA00033146720200000812
可分别表示为
Figure BDA00033146720200000813
其中，β1和β2分别为向量
Figure BDA00033146720200000814
与向量
Figure BDA00033146720200000815
和
Figure BDA00033146720200000816
所构成的夹角(如图4所示)，其可表示为
Figure BDA00033146720200000817
如图4所示，角度
Figure BDA00033146720200000818
为矢量
Figure BDA00033146720200000819
的方位角，其变化率可表示为
Figure BDA00033146720200000820
其中，LCD为A、B两点距离在水平面的投影，即LCD＝Lcosθ0，L为左右履带的间距。
综上，
Figure BDA00033146720200000821
可进一步整理为
Figure BDA00033146720200000822
其中，
Figure BDA00033146720200000823
接下来，本发明将设计履带式水下机器人在曲面上攀爬的定深和定向控制律。根据公式(2)可知，如果要使机器人定深攀爬，则需保证y→yd且θ0→0，其中，yd为机器人期望的攀爬深度。同理，若要使机器人定向攀爬，则需确保θ0→θd，其中，θd为机器人期望的攀爬方向。
针对水下机器人定深攀爬任务中的运动参考量的推导问题，根据公式(1)中向量
Figure BDA0003314672020000091
的表达式，同时令θ0＝0，可推导向量
Figure BDA0003314672020000092
的参考方位角为
Figure BDA0003314672020000093
针对水下机器人定向攀爬任务中的运动参考量的推导问题，根据公式(1)中向量
Figure BDA0003314672020000094
的表达式，同时令θ0＝θd，可推导向量
Figure BDA0003314672020000095
的参考方位角为
Figure BDA0003314672020000096
履带和推进器混合驱动水下机器人在攀爬平面时左右履带中心处的法向量通常与载体坐标系中的Oy方向一致。然而，履带和推进器混合驱动水下机器人在攀爬曲面时，左右履带中心处(即A、B两点)的法向量通常与载体坐标系中的Oy方向是不一致的。如果忽略这点差异，将导致难以实现期望的定深运动。因此，需要将左右履带中心处的曲面轮廓信息融入至控制器的设计中。
在分析机器人在曲面运动机理的基础上，本发明构造了一种能使机器人在曲面定深攀爬的滑模面
Figure BDA0003314672020000097
其中，k1为大于零的常数，和
Figure BDA0003314672020000098
kh为大于零的常数。
定义滑模控制律的趋近律为
Figure BDA0003314672020000099
其中，k3和k4为大于零的常数。
对滑模面求导，可得
Figure BDA0003314672020000101
令
Figure BDA0003314672020000102
可将上式改写为
Figure BDA0003314672020000103
此外，值得注意的是，仅当左右履带中心处曲率一致且θ0＝0时，M＝N＝0。因此，M、N不能同时为零，即M2+N2≠0。
为了使机器人以一定的基础速度向前运动，同时不破坏上述的约束关系，设置左右履带的基础速度
Figure BDA0003314672020000104
和
Figure BDA0003314672020000105
分别为：
Figure BDA0003314672020000106
其中，基础速度
Figure BDA0003314672020000107
可根据实际需求给定。
履带式水下机器人的定深控制律设计为
Figure BDA0003314672020000108
可进一步写为
Figure BDA0003314672020000109
接下来，构造误差函数，设计面向曲面攀爬任务的履带式水下机器人定向控制律。
由于
Figure BDA00033146720200001010
可推导
Figure BDA0003314672020000111
其中，
Figure BDA0003314672020000112
Figure BDA0003314672020000113
定义误差量(滑模开关量)为
Figure BDA0003314672020000114
构造滑模控制律的趋近律为
Figure BDA0003314672020000115
令
Figure BDA0003314672020000116
可将上式改写为
Figure BDA0003314672020000117
此外，值得注意的是，仅当左右履带中心处曲率一致且θ0＝0时，M＝N＝0。因此，M、N不能同时为零，即M2+N2≠0。
为了使机器人以一定的基础速度向前运动，同时不破坏上述的约束关系，设置左右履带的基础速度
Figure BDA0003314672020000118
和
Figure BDA0003314672020000119
分别为：
Figure BDA00033146720200001110
其中，基础速度
Figure BDA00033146720200001111
可根据实际需求给定。
履带式水下机器人的定深控制律设计为
Figure BDA00033146720200001112
选取李雅普诺夫函数：
Figure BDA0003314672020000121
对其求关于时间的导数，则有：
Figure BDA0003314672020000122
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tf1收敛为零，即：
s(t＞tf1)＝0
根据上式的结论，可推导出y→yd。同时，根据滑模面的定义，可知
Figure BDA0003314672020000123
由于
Figure BDA0003314672020000124
可推导：
Figure BDA0003314672020000125
同时，将
Figure BDA0003314672020000126
代入至上式，可得
Figure BDA0003314672020000127
进一步地，可推导
Figure BDA0003314672020000128
对滑模面s求导，可得
Figure BDA0003314672020000131
根据上述的质心运动学方程，可知
Figure BDA0003314672020000132
将
Figure BDA0003314672020000133
代入至上式，可得
Figure BDA0003314672020000134
由于s(t＞tf1)＝0，则可知
Figure BDA0003314672020000135
其中，tf2为大于零的常数，且满足tf2＞tf1；在此基础上，可推导当t＞tf2时，有
Figure BDA0003314672020000136
为阐述
Figure BDA0003314672020000137
是收敛的，构造如下李雅普若夫函数：
Figure BDA0003314672020000138
对上式求导，可得
Figure BDA0003314672020000139
根据向量
Figure BDA00033146720200001310
和
Figure BDA00033146720200001311
的定义，可推导
Figure BDA00033146720200001312
上式可进一步写为
Figure BDA00033146720200001313
其中，
Figure BDA00033146720200001314
接下来，分三种情况讨论该控制系统的稳定性。
情况1：θ0≠0且
Figure BDA0003314672020000141
可推导出：
Figure BDA0003314672020000142
如果
Figure BDA0003314672020000143
可知
Figure BDA0003314672020000144
当
Figure BDA0003314672020000145
时，可知-tan(eψ)eψ＞0。
由于
Figure BDA0003314672020000146
Figure BDA0003314672020000147
可重写为
Figure BDA0003314672020000148
因此，当
Figure BDA0003314672020000149
时，有
Figure BDA00033146720200001410
可证明|eψ|总会收敛至
Figure BDA00033146720200001411
内；当
Figure BDA00033146720200001412
时，有
Figure BDA00033146720200001413
由于kh＞0，
Figure BDA00033146720200001414
可知eψ将渐进收敛至零。
情况2：θ0＝0且
Figure BDA00033146720200001415
由于
Figure BDA00033146720200001416
当θ0＝0且
Figure BDA00033146720200001417
时，可知
Figure BDA00033146720200001418
即eψ＝0。
情况3：
Figure BDA00033146720200001419
同理，根据
Figure BDA00033146720200001420
可知
Figure BDA00033146720200001421
即eψ＝0。
综上，可以证明
Figure BDA00033146720200001422
能渐近收敛于零。
此外，由于定深控制器的稳定性证明较简单，此处不再赘述。
为了验证所提的水下机器人控制器的有效性，利用ROS+Gazebo进行了仿真分析。如图5(a)、(b)所示，在Gazebo环境中搭建了履带和推进器混合驱动水下机器人和椭球体，其中，椭球体用于模拟凸状曲面，且三条轴的长度分别为40m、20m和10m，且分别与地坐标系的三条轴平行。
椭球体的圆心位于(0m,-4.53m,0m),水下机器人的初始位置和航向分别为(x(0),y(0),z(0))＝(0.455m,-1.493m,7.75m)，
Figure BDA0003314672020000151
左右履带宽度L＝0.8m。
在定深控制中，水下机器人的期望深度设置为-3m，控制参数分别设置为k1＝0.7、kh＝6、k3＝42.5、k4＝1和在定向控制中，水下机器人的期望俯仰角设置为θd＝-20°，控制参数分别设置为k5＝1400、k6＝2和
Figure BDA0003314672020000153
图6至图9为在定深控制器作用下水下机器人的仿真结果图。
图6为水下机器人的深度变化曲线，其中，虚线和实线分别为PID控制器和所提控制器作用下的深度变化曲线。由图可知，相较于PID控制算法，本发明所提的控制算法能以更高地精度使水下机器人收敛于期望深度。
图7为混合驱动水下机器人做定深控制时的运动轨迹图运动轨迹表明，本发明所提的控制策略能使水下机器人沿着椭球体曲状表面以期望深度进行攀爬。图8(a)和(b)分别为水下机器人做定深控制时变量M、N和滑模面s的变化曲线，其中，虚线为变量M变化曲线。图中的滑模面s能在50秒内收敛为零，表明所提的控制律具有很好的收敛能力。
图9(a)和(b)分别为在所提控制器和PID控制器驱动下水下机器人做定深控制时左右履带的转动速度，其中，虚线为左履带的速度变化曲线。由图可知，在滑模控制器的作用下，本发明所提的控制器所生成的控制输入的大小抖动更加明显，这也间接说明了所提控制器具有更好的鲁棒性。
图10至图12为在定向控制器作用下水下机器人的仿真结果图。
图10为在定向控制器作用下的水下机器人俯仰角变化曲线，其中，虚线和实线分别为PID控制器和所提控制器作用下的深度变化曲线。仿真结果表明，所提的定向控制器能使水下机器人在曲面以期望航向攀爬。
图11(a)为水下机器人做定向控制时当前方位角、期望方位角变化曲线，其中，图11(a)的虚线为水下机器人方位角ψCD的变化曲线，实线为水下机器人期望方位角
Figure BDA0003314672020000161
的变化曲线。图11(b)为方位角误差eψ的变化曲线。仿真结果表明，本发明所提的控制器能使水下机器人的方位角较好地收敛至期望值。
图12分别为基于PID控制和所提控制器的水下机器人左右履带的转动速度，其中，虚线为基于PID控制器的履带速度变化曲线。由图可知，当水下机器人的方位角收敛至期望方位角时，左右履带转速大小仍有一定的差异。这些差异是由于左右履带坐落于法向量不一致的曲形壁面所导致的，也间接表明了设计本发明控制律的必要性。
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 (4)

1.一种履带和推进器混合驱动的水下机器人在曲面上攀爬的定深定向控制方法，其特征在于，所述定深定向控制方法包括以下步骤：
步骤1：将中心姿态传感器安装在水下机器人的浮心处，其坐标系方向与水下机器人体坐标系方向一致，将第一姿态传感器以及第二姿态传感器分别安装在水下机器人随曲面随动的左右履带的中心处，以保证第一、第二姿态传感器的y轴方向分别与左右履带中心点所在曲面的法向方向一致；利用中心、第一以及第二姿态传感器输出的信息实时获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息；
步骤2：建立履带式水下机器人攀爬曲面的运动学方程，并分别构建面向曲面定深和定向航行的运动参考量；
步骤3：利用滑模控制策略，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律；
其中，获取水下机器人用于控制器设计时所需的曲面轮廓信息包括：
Figure QLYQS_1
式中，
Figure QLYQS_3
为水下机器人本体的法向量，
Figure QLYQS_6
和
Figure QLYQS_8
分别为左右履带中心处的法向量，
Figure QLYQS_4
为履带速度方向，
Figure QLYQS_5
为两个履带中心轴的方向向量，
Figure QLYQS_10
和
Figure QLYQS_11
θ0为水下机器人的俯仰角，ψ0为水下机器人的航向角，
Figure QLYQS_2
为水下机器人的横滚角；θi为第i个姿态传感器的俯仰角，ψi为第i个姿态传感器的航向角，
Figure QLYQS_7
为第i个姿态传感器的横滚角，i＝1或2；
Figure QLYQS_9
为载体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵。
2.根据权利要求1所述的定深定向控制方法，其特征在于，分别构建面向曲面定深和定向航行的运动参考量包括：
水下机器人定深攀爬时，其参考方位角设置为
Figure QLYQS_12
水下机器人定向攀爬时，其参考方位角设置为
Figure QLYQS_13
式中，θd为水下机器人期望的航行俯仰角。
3.根据权利要求1所述的定深定向控制方法，其特征在于，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律时，针对水下机器人在曲面定深攀爬的运动需求，定深攀爬控制律为：
Figure QLYQS_14
其中，
Figure QLYQS_15
Figure QLYQS_16
为水下机器人左右履带的基础速度，为大于零的常数；
Figure QLYQS_17
k1、k3和k4均为大于零的常数，L为左右履带之间宽度；
Figure QLYQS_18
Figure QLYQS_19
kh为大于零的常数；
Figure QLYQS_20
Figure QLYQS_21
4.根据权利要求1所述的定深定向控制方法，其特征在于，设计面向曲面攀爬任务的混合驱动水下机器人定深和定向控制律时，针对水下机器人在曲面定向攀爬的运动需求，定向攀爬控制律为：
Figure QLYQS_22
其中，
Figure QLYQS_23
Figure QLYQS_24
为左右履带基础速度；
Figure QLYQS_25
Figure QLYQS_26
k5和k6均为大于零的常数；
Figure QLYQS_27
为方位角误差；ψCD为矢量
Figure QLYQS_28
的方位角，其可表示为
Figure QLYQS_29
参考方位角的导数
Figure QLYQS_30
可表示为
Figure QLYQS_31
其中，
Figure QLYQS_32
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