CN114035591A - 一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法。本发明通过利用机器人携带的激光测距仪对机器人前方的曲面进行曲率测量，然后利用视觉速度感知补偿器对多普勒速度测量进行准确度提高，接着通过基于视觉的变曲率位置点判定，分别建立平面运动控制律和曲面运动控制律，控制决策下进行控制策略的切换，从而实现机器人在平面运动到曲面运动的平稳切换控制，保证机器人在运动的切换过程中对壁面保持稳定吸附，给机器人壁面移动作业提供一个稳定的作业平台。本发明具有适应性高、灵活性好，可靠性高等优点。

Description

一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法。

背景技术

随着海洋开发的日益发展，水下结构物设施数量越来越多，这些结构物长时间受到海水的腐蚀和海洋生物附着等因素的影响，会加快结构的腐蚀，利用水下壁面移动机器人对水下结构物清洗检测，这些会有效延长水下结构物的寿命和承载能力。

利用人工清理的方法对水下结构物进行检测清理，会受到人工潜水的深度，工作效率，工作风险等多方面因素的影响。同时由于常规的作业和观测级ROV一般依靠动力在水下浮游作业，难以对以上平台的复杂表面进行抵近可靠检测。所以通过壁面移动机器人对结构物表面进行检测清理具有十分广阔的应用前景。专利“一种负压吸附机器人及变吸附力曲面运动控制方法(CN 110077483 A)”提出的变吸附力吸附方法没有提出测量曲率的方法，并且负压吸附适用的范围有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法。

一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过水下机器人携带的激光测距仪采集的数据，进行曲率推算，获得水下机器人前方的曲面曲率半径R；

所述水下机器人主体携带有传感器系统、可变推进力推进系统、视觉检测系统、行走机构；所述传感器系统包括位姿传感器、压力传感器、速度传感器；所述可变推进力推进系统包括四个垂直推进器以及两个水平推进器；所述视觉检测系统包括单目摄像机、双目视觉系统、水下照明灯、激光测距仪；所述水平推进器安装在水下机器人的后方；垂直推进器均匀布置在机器人外壳上；所述视觉检测系统安装在水下机器人的前方；所述激光测距仪以俯角α安装在机器人外壳的前部；

步骤2：通过水下机器人携带的双目视觉系统采集的双目视觉信号，建立双目视觉速度感知补偿器；

步骤3：通过水下机器人携带的单目摄像机采集的图相进行变曲率点位置判断；

步骤4：通过变曲率曲面运动切换控制器的两条控制律控制水下机器人完成变曲面运动切换运动；

平面运动控制方法：平面运动时，通过对水平推进器的水平合推力控制输出τ₁、垂向推进器的垂向合推力控制输出τ₂、艏摇和力矩控制输出τ₃对水下机器人在平面的运动进行控制，完成水下机器人在平面的运动，控制方法如下：

其中，k_ρ、k_α为控制参数；m为水下机器人含附连水的质量；J_z为水下机器人含附连水绕z轴转动的转动惯量；F₀为水下机器人在平壁面运动过程所需垂向推进器额外提供的正压力；B为水下机器人的净浮力；

曲面运动控制方法：由于水下机器人的行走机构与壁面形成的自然约束，使水下机器人不会发生方向的偏移，于是对于水下机器人在曲面的运动控制只需要约束水下机器人的艏向速度，垂向合推力以及姿态调整力矩就可以实现机器人在壁面的平稳运动；通过对水平合推力控制输出τ₁、垂向合推力控制输出τ₂,完成水下机器人在曲面的运动控制，控制方法如下：

其中，k₁、k_p、k_d为控制系统的控制参数；F_n为水下机器人壁面行走机构反馈的壁面压力；

为水下机器人圆周运动向心力。

进一步地，所述步骤1中通过水下机器人携带的激光测距仪采集的数据，进行曲率推算，获得水下机器人前方的曲面曲率半径R的方法具体为：

当水下机器人运动前方是平面时，激光测距仪反馈结果为L；当激光测距反馈结果L＞1时，表示前方有下凹曲面；当L＜1时，表示前方有凸起曲面；水下机器人前方的曲面曲率半径R由下式计算：

其中，CD为激光测距仪两次测量的弦长，由

求出，Δ＝L-1，x＝V_x*t₁，V_x为水下机器人的航速，t₁为激光测距仪的采样间隔时间；γ为切点C处曲率半径与弦CD的夹角，

β为切点C与激光探测点D连线弦长与原运动平面的夹角，由

求出。

进一步地，所述步骤2中通过水下机器人携带的双目视觉系统采集的双目视觉信号，建立双目视觉速度感知补偿器的方法具体为：

通过双目视觉系统得到特征点相对水下机器人的空间位置[x，y，z]，在一列等周期间隔的图片中，提取特征，匹配出同一个点P，则P点在每一帧双目图像下都可以获取一组相对机器人的空间位置[x，y，z]；由于双目视觉系统的采样周期t₂已知，则特征点相对于水下机器人的位置变化率及速度为：

进一步地，所述步骤3中通过水下机器人携带的单目摄像机采集的图相进行变曲率点位置判断的方法具体为：

水下机器人在平面运动时，单目摄像机采集的壁面图相在图相平面投影后会形成一条消失线；当水下机器人运动至曲面附近时，单目摄像机的视角会包括一部分的曲面，此时壁面由单目摄像机的投影原理所形成的消失线将会相比平面下移；在水下机器人不断靠近曲面的过程中，该消失线在单目摄像机图相平面会不断的下移；当水下机器人到达平面与曲面的临界点的时候，水下机器人的继续前进会使单目摄像机发生一定的俯角，这个变化使壁面由单目摄像机的投影原理在图相平面所形成的消失线突然向上移动；因此，由该消失线的特征点在图相平面的纵坐标变化情况判断机器人是否到达平面和曲面的临界点。

本发明的有益效果在于：

本发明通过利用机器人携带的激光测距仪对机器人前方的曲面进行曲率测量，然后利用视觉速度感知补偿器对多普勒速度测量进行准确度提高，接着通过基于视觉的变曲率位置点判定，分别建立平面运动控制律和曲面运动控制律，控制决策下进行控制策略的切换，从而实现机器人在平面运动到曲面运动的平稳切换控制，保证机器人在运动的切换过程中对壁面保持稳定吸附，给机器人壁面移动作业提供一个稳定的作业平台。本发明具有适应性高、灵活性好，可靠性高等优点。

附图说明

图1是本发明中水下机器人的总体结构示意图。

图2是本发明中曲率测量的原理图。

图3(a)为运动切换过渡第一阶段视觉成像示意图。

图3(b)为运动切换过渡第二阶段视觉成像示意图。

图3(c)为运动切换过渡第三阶段视觉成像示意图。

图3(d)为运动切换过渡第四阶段视觉成像示意图。

图4是本发明中平面运动控制器框图。

图5是本发明中曲面运动控制器框图。

图6是本发明的控制切换策略框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

由于水下结构表面的复杂性，本发明设计了一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，机器人通过视觉检测系统可以测量出运动前方的曲率变化从而通过曲率变化壁面。

本发明通过利用机器人携带的激光测距仪对机器人前方的曲面进行曲率测量，然后利用视觉速度感知补偿器对多普勒速度测量进行准确度提高，接着通过基于视觉的变曲率位置点判定，分别建立平面运动控制律和曲面运动控制律，控制决策下进行控制策略的切换，从而实现机器人在平面运动到曲面运动的平稳切换控制，保证机器人在运动的切换过程中对壁面保持稳定吸附，给机器人壁面移动作业提供一个稳定的作业平台。本发明具有适应性高、灵活性好，可靠性高等优点。

一种水下变曲率壁面运动机器人的本体，包括：机器人的主体及控制器；所述的机器人主体包括传感器系统，可变推进力推进系统，视觉检测系统；所述的传感器系统包括位姿传感器，压力传感器，速度传感器；所述的可变推进力推进系统包括四个垂直推进器以及两个水平推进器；所述的视觉检测系统包括单目摄像机，双目视觉系统，水下照明灯；同时，所述的机器人本体包括行走机构，框架结构等，由于本文主要对机器人曲面的控制方法进行叙述，所以陈述了机器人控制方法所需用到的必要系统机构，清洗作业机构及其他装备机构可根据具体的实施要求进行添加删减。

一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过水下机器人携带的激光测距仪采集的数据，进行曲率推算，获得水下机器人前方的曲面曲率半径R；

所述水下机器人主体携带有传感器系统、可变推进力推进系统、视觉检测系统、行走机构；所述传感器系统包括位姿传感器、压力传感器、速度传感器；所述可变推进力推进系统包括四个垂直推进器以及两个水平推进器；所述视觉检测系统包括单目摄像机、双目视觉系统、水下照明灯、激光测距仪；所述水平推进器安装在水下机器人的后方；垂直推进器均匀布置在机器人外壳上；所述视觉检测系统安装在水下机器人的前方；所述激光测距仪以俯角α安装在机器人外壳的前部；

当水下机器人运动前方是平面时，激光测距仪反馈结果为L；当激光测距反馈结果L＞1时，表示前方有下凹曲面；当L＜1时，表示前方有凸起曲面；水下机器人前方的曲面曲率半径R由下式计算：

其中，CD为激光测距仪两次测量的弦长，由

求出，Δ＝L-1，x＝V_x*t₁，V_x为水下机器人的航速，t₁为激光测距仪的采样间隔时间；γ为切点C处曲率半径与弦CD的夹角，

β为切点C与激光探测点D连线弦长与原运动平面的夹角，由

求出；

步骤2：通过水下机器人携带的双目视觉系统采集的双目视觉信号，建立双目视觉速度感知补偿器；

通过双目视觉系统得到特征点相对水下机器人的空间位置[x，y， z]，在一列等周期间隔的图片中，提取特征，匹配出同一个点P，则P点在每一帧双目图像下都可以获取一组相对机器人的空间位置[x，y，z]；由于双目视觉系统的采样周期t₂已知，则特征点相对于水下机器人的位置变化率及速度为：

步骤3：通过水下机器人携带的单目摄像机采集的图相进行变曲率点位置判断；

水下机器人在平面运动时，单目摄像机采集的壁面图相在图相平面投影后会形成一条消失线；当水下机器人运动至曲面附近时，单目摄像机的视角会包括一部分的曲面，此时壁面由单目摄像机的投影原理所形成的消失线将会相比平面下移；在水下机器人不断靠近曲面的过程中，该消失线在单目摄像机图相平面会不断的下移；当水下机器人到达平面与曲面的临界点的时候，水下机器人的继续前进会使单目摄像机发生一定的俯角，这个变化使壁面由单目摄像机的投影原理在图相平面所形成的消失线突然向上移动；因此，由该消失线的特征点在图相平面的纵坐标变化情况判断机器人是否到达平面和曲面的临界点；

步骤4：通过变曲率曲面运动切换控制器的两条控制律控制水下机器人完成变曲面运动切换运动；

平面运动控制方法：平面运动时，通过对水平推进器的水平合推力控制输出τ₁、垂向推进器的垂向合推力控制输出τ₂、艏摇和力矩控制输出τ₃对水下机器人在平面的运动进行控制，完成水下机器人在平面的运动，控制方法如下：

其中，k_ρ、k_α为控制参数；m为水下机器人含附连水的质量；J_z为水下机器人含附连水绕z轴转动的转动惯量；F₀为水下机器人在平壁面运动过程所需垂向推进器额外提供的正压力；B为水下机器人的净浮力；

曲面运动控制方法：由于水下机器人的行走机构与壁面形成的自然约束，使水下机器人不会发生方向的偏移，于是对于水下机器人在曲面的运动控制只需要约束水下机器人的艏向速度，垂向合推力以及姿态调整力矩就可以实现机器人在壁面的平稳运动；通过对水平合推力控制输出τ₁、垂向合推力控制输出τ₂，完成水下机器人在曲面的运动控制，控制方法如下：

其中，k₁、k_p、k_d为控制系统的控制参数；F_n为水下机器人壁面行走机构反馈的壁面压力；

为水下机器人圆周运动向心力。

实施例1：

图1为一种水下变曲率壁面运动机器人主要结构示意图。其中：1为垂直推进器，2为激光测距仪，3为水下双目视觉系统，4为单目彩色水下摄像机，5为控制舱，6为多普勒测速仪，7为水平推进器，8为行动机构，以上为该壁面清洗检测机器人的曲面运动控制所需结构，此外的清洗机构及需要用到的实际装备可根据实际情况进行安装，不再进行陈述。为了保证水下机器人的中性浮力状态，剩余的空间可以用来添加浮力材。

机器人的行动机构8中包括行动轮，转轴，驱动电机和压力传感器，用于机器人在壁面的行走以及感知机器人对壁面的压力；四个垂直推进器1和两个水平推进器7共同组成机器人的推进系统，并且与机器人的控制机构连接，用于控制机器人在变曲率壁面的吸附及行进，配合完成机器人的整个作业过程；双目视觉系统3、单目彩色水下摄像机4、激光测距仪2构成机器人的视觉感知系统，用于水下等的识别检测，定位测距，曲率测量等功能；多普勒测速仪6，安装在控制舱5中位姿传感器组成机器人的运动感知系统，用来计算机器人在壁面爬行工作时间的位置姿态，压力大小的反馈，同时和推进系统构成控制回路，实现机器人的安全作业。

本实施例的水下机器人的控制方法步骤包含如下：

步骤一、运动切换控制器通过串口板采集水下机器人控制系统中的曲面激光测距仪2的数据，并通过水下机器人控制系统中的PC104模块进行曲率推算，获得水下机器人前方的曲面曲率半径；

步骤二、运动切换控制器通过网口采集双目视觉信号，建立双目视觉速度感知补偿器；

步骤三、运动切换控制器通过网口采集双目视觉信号，并通过水下机器人控制系统中的PCI04模块进行变曲率点位置判断；

步骤四、通过变曲率曲面运动切换控制器的平面运动和曲面运动两种控制律控制水下机器人完成变曲面运动切换运动。

步骤一中所述的获得机器人前方曲面曲率原理方法：工作壁面前方曲率的测量通过激光测距仪2完成。激光测距仪2发出激光，当机器人运动前方是平面时，激光测距反馈结果为L；当激光测距反馈结果L＞1时，表示前方有下凹曲面；当L＜1时，表示前方有凸起曲面。当激光测距采样结果L＞1时，由下方公式对曲率进行计算：

其中：设激光出射点距壁面距离为h；激光射出的俯角为α；机器人的航速为Vx；式中，R为C至D点曲线的平均曲率半径；γ为切点C处曲率半径与弦CD的夹角，

β为切点C与激光探测点D连线弦长与原运动平面的夹角，由

求出，x＝Vx*t，Δ＝L-l；a为激光射出的俯角；t为激光测距采样间隔时间；CD为两次测量的弦长，由

求出。

步骤二中双目视觉速度补偿原理如下：有双目测距可以得到特征点相对机器人的空间位置[x，y，z]，在一列等周期t间隔的图片中，提取特征，匹配出同一个点P。则P点在每一帧双目图相下都可以获取一组相对机器人的空间位置[x，y，z]。采样周期t是已知的，则特征点相对于机器人的位置变化率及速度为：

步骤三中曲率点的判断具体方法及原理：结合图3(a)至图3(d)，机器人在从平面运动至曲面运动过程中图像特征的变化，从而得出变曲率点临界位置的判断方法。如图3(a)所示，机器人在平面运动时，相机视觉采集的壁面图相在图相平面会投影后形成一条消失线。如图3(b)所示，当机器人运动至曲面附近时，相机的视角会包括一部分的曲面，此时壁面由相机的投影原理所形成的消失线将会相比平面下移。如图3(c)所示，在机器人不断靠近曲面的过程中，该消失线在相机图像平面会不断的下移。如图3(d)所示，当机器人到达平面与曲面的临界点的时候，机器人的继续前进会使相机发生一定的俯角，这个变化使在图相平面壁面由相机的投影原理所形成的消失线突然向上移动。因此，由该消失线的特征点在图相平面的纵坐标变化情况判断机器人是否到达平面和曲面的临界点。

步骤四中两种控制律的控制切换策略：PC104通过采集到水下机器人的各传感器信息通过步骤一、二、三的数据处理后，得到前方曲面的曲率半径、经过视觉补偿后的自身速度、变曲率曲面临界位置判别等信息，通过控制决策来切换运动控制器的两条控制律。

平面运动控制原理如下：

设控制偏差为：e＝[Δx Δy Δψ]^T

直角坐标系下平面运动学模型为：

极坐标下平面运动学模型为：

α＝arctan2(Δy，Δx)-ψ

β＝-(α+ψ)

其中，ρ为机器人离目标点的距离；α为机器人的运动方向偏离目标方向的角度；β为机器人在大地坐标系下的目标方向；v_x为机器人在大地坐标系下x轴的航行速度；v_y为机器人在大地坐标系下y轴的航行速度，ψ为机器人的艏向角。

机器人运动的水动力阻力(距)为：

其中，f₁，f₆分别为机器人运动的水动力学阻力(距)的由机器人速度和角速度表达的显示函数。

由此得出在平面运动时，通过对水平合推力控制输出τ₁，垂向推机器的合推力控制输出τ₂，艏摇和力矩控制输出τ₃对机器人在平面的运动进行控制，完成机器人在平面的运动，控制方法如下：

其中，k_ρ，k_α为控制参数；m为水下机器人含附连水的质量；J_z为水下机器人含附连水绕z轴转动的转动惯量；F₀为机器人在平壁面运动过程所需垂向推进器额外提供的正压力；B为机器人的净浮力。

曲面运动控制原理如下：

当水下机器人在曲面运动时，要使机器人稳定的平滑的贴着曲面运动，需要使机器人产生一个向心加速度，否则机器人有可能会脱离对壁面的吸附。使机器人产生这个向心加速度的向心力大小为：

其中，F₁为机器人在曲面运动时，为给机器人产生向心力而需要垂向推进器提供的合推力；R为此时机器人所在曲面位置对应的曲面曲率半径。

当水下机器人在凸起曲面运动时，由于机器人的行走机构与壁面形成的自然约束，会使机器人不会发生方向的偏移，于是对于机器人在凸起曲面的运动控制只需要约束机器人的艏向速度，垂向合推力以及姿态调整力矩就可以实现机器人在壁面的平稳运动。所以得到机器人凸起曲面的控制律：

式中k₁，k_p，k_d为控制系统的控制参数，F_n为机器人壁面行走机构反馈的壁面压力值。

综上，本发明的目的是为了提供一种水下壁面移动机器人在变曲率曲面运动切换控制方法，能够基于机器人激光测距仪2对曲面进行数学建模；视觉速度感知补偿器对多普勒速度测量进行准确度提高；通过基于视觉的变曲率位置点判定，分别建立平面运动控制律和曲面运动控制律，控制决策下进行控制策略的切换，从而实现机器人在平面运动到曲面运动的平稳切换控制，保证机器人在运动的切换过程中对壁面保持稳定吸附，给机器人壁面移动作业提供一个稳定的作业平台。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过水下机器人携带的激光测距仪采集的数据，进行曲率推算，获得水下机器人前方的曲面曲率半径R；

所述水下机器人主体携带有传感器系统、可变推进力推进系统、视觉检测系统、行走机构；所述传感器系统包括位姿传感器、压力传感器、速度传感器；所述可变推进力推进系统包括四个垂直推进器以及两个水平推进器；所述视觉检测系统包括单目摄像机、双目视觉系统、水下照明灯、激光测距仪；所述水平推进器安装在水下机器人的后方；垂直推进器均匀布置在机器人外壳上；所述视觉检测系统安装在水下机器人的前方；所述激光测距仪以俯角α安装在机器人外壳的前部；

步骤2：通过水下机器人携带的双目视觉系统采集的双目视觉信号，建立双目视觉速度感知补偿器；

步骤3：通过水下机器人携带的单目摄像机采集的图相进行变曲率点位置判断；

步骤4：通过变曲率曲面运动切换控制器的两条控制律控制水下机器人完成变曲面运动切换运动；

平面运动控制方法：平面运动时，通过对水平推进器的水平合推力控制输出τ₁、垂向推进器的垂向合推力控制输出τ₂、艏摇和力矩控制输出τ₃对水下机器人在平面的运动进行控制，完成水下机器人在平面的运动，控制方法如下：

其中，k_ρ、k_α为控制参数；m为水下机器人含附连水的质量；J_z为水下机器人含附连水绕z轴转动的转动惯量；F₀为水下机器人在平壁面运动过程所需垂向推进器额外提供的正压力；B为水下机器人的净浮力；

曲面运动控制方法：由于水下机器人的行走机构与壁面形成的自然约束，使水下机器人不会发生方向的偏移，于是对于水下机器人在曲面的运动控制只需要约束水下机器人的艏向速度，垂向合推力以及姿态调整力矩就可以实现机器人在壁面的平稳运动；通过对水平合推力控制输出τ₁、垂向合推力控制输出τ₂，完成水下机器人在曲面的运动控制，控制方法如下：

其中，k₁、k_p、k_d为控制系统的控制参数；_n为水下机器人壁面行走机构反馈的壁面压力；

为水下机器人圆周运动向心力。

2.根据权利要求1所述的一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，其特征在于：所述步骤1中通过水下机器人携带的激光测距仪采集的数据，进行曲率推算，获得水下机器人前方的曲面曲率半径R的方法具体为：

当水下机器人运动前方是平面时，激光测距仪反馈结果为L；当激光测距反馈结果L>1时，表示前方有下凹曲面；当L<l时，表示前方有凸起曲面；水下机器人前方的曲面曲率半径R由下式计算：

其中，CD为激光测距仪两次测量的弦长，由

求出，Δ＝L-l，x_x*₁，V_x为水下机器人的航速，t₁为激光测距仪的采样间隔时间；γ为切点C处曲率半径与弦CD的夹角，

β为切点C与激光探测点D连线弦长与原运动平面的夹角，由

求出。

3.根据权利要求1所述的一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，其特征在于：所述步骤2中通过水下机器人携带的双目视觉系统采集的双目视觉信号，建立双目视觉速度感知补偿器的方法具体为：

通过双目视觉系统得到特征点相对水下机器人的空间位置[x,y,z]，在一列等周期间隔的图片中，提取特征，匹配出同一个点P，则P点在每一帧双目图像下都可以获取一组相对机器人的空间位置[x,y,z]；由于双目视觉系统的采样周期t₂已知，则特征点相对于水下机器人的位置变化率及速度为：

4.根据权利要求1所述的一种水下变曲率壁面运动机器人的运动切换控制方法，其特征在于：所述步骤3中通过水下机器人携带的单目摄像机采集的图相进行变曲率点位置判断的方法具体为：

水下机器人在平面运动时，单目摄像机采集的壁面图相在图相平面投影后会形成一条消失线；当水下机器人运动至曲面附近时，单目摄像机的视角会包括一部分的曲面，此时壁面由单目摄像机的投影原理所形成的消失线将会相比平面下移；在水下机器人不断靠近曲面的过程中，该消失线在单目摄像机图相平面会不断的下移；当水下机器人到达平面与曲面的临界点的时候，水下机器人的继续前进会使单目摄像机发生一定的俯角，这个变化使壁面由单目摄像机的投影原理在图相平面所形成的消失线突然向上移动；因此，由该消失线的特征点在图相平面的纵坐标变化情况判断机器人是否到达平面和曲面的临界点。

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