CN114537626B - 一种水下机器人自主坐底控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人自主坐底控制方法，步骤包括：当水下机器人执行水下航行探测任务需要驻底时，执行向下坐底控制步骤；在坐底过程中，执行识别坐底地形坡度和是否被泥沙等沉积物覆盖的步骤；若坐底地形坡度需要调整或被泥沙等沉积物覆盖，执行坐底上浮程步骤；通过上述步骤1‑3重复迭代，完成水下机器人在海底的自主迭代坐底过程，使得水下机器人达到稳固坐底、防止被掩埋。本发明的水下机器人自主坐底控制方法，通过坐底控制过程和防沉积物埋没过程达到坐底驻留静默的要求，实现水下机器人节省能耗、延长探测作业时间的目的。

Description

一种水下机器人自主坐底控制方法

技术领域

本发明属于水下机器人智能控制技术领域具体地说是一种水下机器人自主坐底控制方法。

背景技术

随着水下机器人坐底探测作业和长期驻底静默的需求不断增加以及对续航力要求的不断提高，水下机器人坐底控制技术成为亟需解决的重要工程技术，且由于复杂多变的海底涌流会引起沉积物和泥沙等掩埋水下机器人，那么如何自主决策并执行防埋没的系列行为也是必须考虑的难题，因此水下机器人自主坐底控制策略研究具有较大实际意义和应用价值。

以往水下机器人执行坐底作业都是：1)人为控制；2)坐底时间不长，无法实现自主长期驻留；3)且对水下机器人易被沉积物和泥沙埋没的风险缺少自主防控能力。

因此，研究水下机器人自主坐底控制方法，解决水下机器人合理坐底流程及防沉积物埋没问题，提高水下机器人坐底驻留的安全性和规范化，是目前水下机器人坐底需要重点解决的实际难题。

发明内容

基于上述现有技术的缺陷和不足，本发明针对现有水下机器人难以自主坐底或坐底流程缺乏合理性，提出了一种水下机器人自主坐底控制方法，有助于实现水下机器人自主长期坐底，并在坐底过程中识别坐底地形坡度和是否被泥沙等沉积物覆盖，从而调整坐底过程使得水下机器人达到稳固坐底以及防止被掩埋，延长探测作业时间、节省能耗，完成水下机器人在海底的探测任务。

本发明解决其问题所采用的技术方案如下：一种水下机器人自主坐底控制方法，包括：

当水下机器人执行水下航行探测任务需要驻底时，执行向下坐底控制步骤；

在坐底过程中，执行识别坐底地形坡度和是否被泥沙等沉积物覆盖的步骤；

若坐底地形坡度需要调整或被泥沙等沉积物覆盖，执行坐底上浮程步骤；

通过上述步骤1-3重复迭代，完成水下机器人在海底的自主迭代坐底过程，使得水下机器人达到稳固坐底、防止被掩埋。

所述向下坐底控制步骤包括：

水下机器人自主航行到达预设着底位置后，开始坐底控制过程，所述坐底控制过程包括以下过程：准备坐底、极低速坐底、稳固坐底；

所述准备坐底为通过调整水下机器人本体的倾斜角度和离底高度，使得水下机器人本体悬停在距离海底的设定高度；

所述极速坐底为控制水下机器人本体倾斜角度为零的情况下使其在规定时间范围内以预设的向下垂向速度迅速向下坐底；

所述稳固坐底包括调整水下机器人的变浮力调节系统为全部吸水，使水下机器人净浮力为最大负浮力状态，使得水下机器人负重最大，完成坐底过程。

所述调整水下机器人本体的倾斜角度是通过控制调平纵倾角来实现的，所述调整水下机器人本体的离底高度为通过控制垂向速度下潜至合适的离底高度，所述离底高度是根据当前预驻底海底地形和水下机器人自身本地轮廓以及下潜的垂向速度来确定的。

所述坐底成功的判断包括：

保持纵倾角为零且控制向下垂向速度不大于预设速度，且深度连续保持的时间达到预设阈值时认为坐底成功。

所述识别坐底地形坡度包括：

如果向下坐底控制的稳固坐底完成后，判断一段时间窗口期内的纵倾角大小是否持续超过危险阈值，若超过则说明水下机器人坐底位置的地形坡度大，不利于长期坐底，识别当前状态为：需要更换坐底位置，执行坐底上浮程步骤。

所述识别是否被泥沙等沉积物覆盖包括：

定时周期性通过水下机器人上的ADCP传感器观测流速，判断一段时间窗口期内的流速大小是否持续超过防埋没流速阈值，若超过则执行坐底上浮程步骤；

所述坐底上浮程步骤包括：脱离坐底和结束坐底；

所述脱离坐底为调整水下机器人的变浮力调节系统为全部排水，使水下机器人净浮力为最大正浮力状态，使得水下机器人负重最小，进入无动力上浮。

所述结束坐底为调平纵倾角和控制离底高度。

本发明具有以下有益效果及效果：

1.本发明将坐底控制过程分解为准备坐底、极低速坐底、稳固坐底三个流程，实现了到达预设坐底位置的坐底控制流程，能方便快捷地实现水下机器人稳固安全坐底。

2.本发明提出了水下机器人坐底控制策略和具体方案，且能有效地应用于实际工程。

3.本发明提出了水下机器人坐底后的防泥沙和沉积物等埋没，以及识别坐底坡度的调整坐底位置的流程能够识别坐底地形坡度和是否被泥沙等沉积物覆盖，从而调整坐底过程使得水下机器人达到稳固坐底以及防止被掩埋，延长探测作业时间、节省能耗，完成水下机器人在海底的探测任务，增加水下机器人长期坐底的安全性。

附图说明

图1为本发明的坐底控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明涉及一种水下机器人自主坐底控制方法，技术步骤包括坐底控制过程和防沉积物埋没过程。坐底控制过程包括准备坐底、极低速坐底、稳固坐底、监管休眠与唤醒、脱离坐底和结束坐底。水下机器人航行到达预设着底位置后，准备坐底包括控制纵倾角和垂向速度下潜至离底一定高度，然后调平纵倾角和控制固定的离底高度；极低速坐底包括保持纵倾角基本为零且控制向下垂向速度不大于0.05米/秒，深度连续保持不变不小于3秒后，认为坐底；稳固坐底包括调整变浮力调节系统为全部吸水，使水下机器人净浮力为最大负浮力状态；脱离坐底包括调整变浮力调节系统为全部排水，使水下机器人净浮力为最大正浮力状态，进入无动力上浮；结束坐底包括调平纵倾角和控制固定的离底高度；防沉积物埋没过程包括周期性打开向上ADCP观测流速，判断流速大小是否超过设定流速阈值判断，若超过则执行上述脱离坐底和结束坐底过程，然后执行极低速坐底和稳固坐底。所述的水下机器人自主坐底控制策略，通过坐底控制过程和防沉积物埋没过程达到坐底驻留静默的要求，实现水下机器人节省能耗、延长探测作业时间的目的。

本发明的方法流程实施例，包括以下步骤：

第一步：坐底控制过程

水下机器人自主航行到达预设着底位置后，开始坐底控制过程，如图1所示。坐底控制过程包括准备坐底、极低速坐底、稳固坐底、脱离坐底和结束坐底。

准备坐底包括控制纵倾角和垂向速度下潜至离底一定高度，然后调平纵倾角和控制固定的离底高度。

极低速坐底包括保持纵倾角基本为零且控制向下垂向速度不大于0.05米/ 秒，深度连续保持不变不小于3秒后，认为坐底。

稳固坐底包括调整变浮力调节系统为全部吸水，使水下机器人净浮力为最大负浮力状态。

调整坐底点过程包括判断纵倾角是否超过设定的阈值范围，具体过程见第二步。

脱离坐底包括调整变浮力调节系统为全部排水，使水下机器人净浮力为最大正浮力状态，进入无动力上浮。

结束坐底包括调平纵倾角和控制固定的离底高度。

上述向下坐底和坐底上浮的过程中，需要进行如下第二步和第三部的判断识别：

第二步：调整坐底角度过程

如果稳固坐底完成后，纵倾角超过设定的阈值范围，说明水下机器人坐底位置的地形坡度大，不利于长期坐底，需要更换坐底位置，即

其中，θ表示纵倾角，Λ表示人为提前设定的纵倾角阈值，α表示计数器且初始值为0，i和i+1分别表示相邻两时刻。

当纵倾角超过设定的阈值范围|θ_i|＞Λ时，计数器加1；否则，计数器α清零。

当计数器在一段时间窗口的累计值

时，认定坐底位置坡度过大，需调整坐底位置。

调整坐底位置过程是顺序执行脱离坐底，结束坐底，定高航行1分钟，准备坐底，极低速坐底，稳固坐底。

判断稳固坐底后，纵倾角是否不大于阈值，如此往复，直至一段时间窗口期α＜10。

第三步：防埋没过程

防埋没过程包括定时周期性打开向上ADCP观测流速，判断流速大小是否超过设定防埋没流速阈值判断，若超过阈值并且累计一段时间

则执行上述脱离坐底和结束坐底。

且β∈[0,10]

其中，i和i+1分别表示相邻两时刻，v_n表示向上ADCP测得近底北向水流速度，v_e表示向上ADCP测得近底东向水流速度，E表示人为提前设定的流速阈值，β表示计数器且初始值为0。

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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水下机器人自主坐底控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：当水下机器人执行水下航行探测任务需要驻底时，执行向下坐底控制步骤，包括：

水下机器人自主航行到达预设着底位置后，开始坐底控制过程，所述坐底控制过程包括以下过程：准备坐底、极低速坐底、稳固坐底；

所述准备坐底为通过调整水下机器人本体的倾斜角度和离底高度，使得水下机器人本体悬停在距离海底的设定高度；

所述极低速坐底为控制水下机器人本体倾斜角度为零的情况下使其在规定时间范围内以预设的向下垂向速度迅速向下坐底；

所述稳固坐底包括调整水下机器人的变浮力调节系统为全部吸水，使水下机器人净浮力为最大负浮力状态，使得水下机器人负重最大，完成坐底过程；

步骤2：在坐底过程中，执行识别坐底地形坡度和是否被泥沙等沉积物覆盖的步骤；

所述识别坐底地形坡度包括：如果向下坐底控制的稳固坐底完成后，判断一段时间窗口期内的纵倾角大小是否持续超过危险阈值，若超过则说明水下机器人坐底位置的地形坡度大，不利于长期坐底，识别当前状态为：需要更换坐底位置，执行坐底上浮程步骤；

所述识别是否被泥沙等沉积物覆盖包括：定时周期性通过水下机器人上的ADCP传感器观测流速，判断一段时间窗口期内的流速大小是否持续超过防埋没流速阈值，若超过则执行坐底上浮程步骤；

步骤3：若坐底地形坡度需要调整或被泥沙等沉积物覆盖，执行坐底上浮程步骤；包括：脱离坐底和结束坐底；

所述脱离坐底为调整水下机器人的变浮力调节系统为全部排水，使水下机器人净浮力为最大正浮力状态，使得水下机器人负重最小，进入无动力上浮；

所述结束坐底为调平纵倾角和控制离底高度；

通过上述步骤1-3重复迭代，完成水下机器人在海底的自主迭代坐底过程，使得水下机器人达到稳固坐底、防止被掩埋。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人自主坐底控制方法，其特征在于，所述调整水下机器人本体的倾斜角度是通过控制调平纵倾角来实现的，所述调整水下机器人本体的离底高度为通过控制垂向速度下潜至合适的离底高度，所述离底高度是根据当前预驻底海底地形和水下机器人自身本地轮廓以及下潜的垂向速度来确定的。

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人自主坐底控制方法，其特征在于，坐底成功的判断包括：

保持纵倾角为零且控制向下垂向速度不大于预设速度，且深度连续保持的时间达到预设阈值时认为坐底成功。

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