CN114879703B - 水下机器人路径跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下机器人路径跟踪控制方法,包括机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令,探测目标水下区域;若为危险区域,则通过切片算法生成局部路径,并基于局部路径生成期望路径;若为安全区域,则将安全区域划分为若干个子区域,基于子区域的局部路径生成期望路径;机载控制器配置为执行制导算法以得到与期望路径对应的期望航向角,机载控制器配置为以期望角速度和制导算法生成的期望航向角为控制目标,执行运动控制算法以控制潜水器主体运动,使得潜水器主体追踪期望路径,运动控制算法基于CFDL‑MFAC模型生成。本发明能够有效抵御水下风、浪、流的干扰,具备在复杂海况下进行水下航行的条件。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域,尤其涉及一种水下机器人路径跟踪控制方法。
背景技术
水下机器人,也称无人遥控潜水器(Remote Operated Vehicle,ROV)是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限,所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
典型的水下机器人包括水面设备和水下设备,其中水面设备包括但不限于操纵控制台、电缆绞车、吊放设备和供电系统,而水下设备主要包括中继器和潜水器主体。潜水器主体在水下靠推进器运动,潜水器主体上通常搭载有观测设备和作业设备,其中观测设备以摄像机、照相机和照明灯为代表,作业设备则包括但不限于机械手、切割器和清洗器等。
路径跟踪控制功能是实现水下机器人自主控制的关键,水下机器人的水下运动和作业,是指由操作员在上位机上控制和监视,靠电缆向潜水器主体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对潜水器主体运动的干扰。新型水下机器人从简单的遥控式向监控式发展,即由母舰计算机和潜水器主体计算机实行递阶控制,它能对观测信息进行加工,建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令,并接受经计算机加工处理的信息,对潜水器主体的运行和动作过程进行监视并排除故障 。
但是,水下机器人设计与控制十分复杂,一方面是因为水下环境复杂,水下机器人在海底收到自身浮力、重力的作用,以及海洋风、浪、流的影响;另一方面海底环境恶劣,亮度很低;传统的水下机器人利用摄像头探测周围环境,然后通过岸基遥控来控制水下机器人航行,当水下环境的辨识度较低时,水下机器人路径跟踪控制难度较大。
本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解,因此,其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。
发明内容
针对传统的水下机器人利用摄像头探测周围环境,然后通过岸基遥控来控制水下机器人航行,当水下环境的辨识度较低时,水下机器人路径跟踪控制难度较大的问题,设计并提供一种水下机器人路径跟踪控制方法。
为实现上述发明目的,本发明采用下述技术方案予以实现:
水下机器人路径跟踪控制方法,其特征在于包括以下步骤:机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令,探测目标水下区域;如果目标水下区域为危险区域,则通过切片算法生成与所述危险区域对应的局部路径,并基于局部路径生成危险区域的期望路径;如果目标水下区域为安全区域,将安全区域划分为若干个子区域,并在每个子区域内设置一个基点;基于若干个子区域的局部路径生成安全区域的期望路径;机载控制器配置为执行制导算法以得到与期望路径对应的期望航向角;所述制导算法由下式表示:
其中,为期望航向角,为潜水器主体的实时位置在期望路径上的投影点所对应的期望路径切向坐标系相对于固定地坐标系的顺时针旋转角度,代表潜水器主体实时位置与期望路径的横向误差;Δ为前视距离,β为偏移角;所述前视距离Δ由下式计算:
其中k1,k2为控制参数,k1为常数且满足k1>0,k2=1/U 且满足k2>0,Δmax为常数,表示前视距离的最大值,Δmin为常数,代表前视距离的最小值,U为潜水器主体合速度,e为自然常数;
机载控制器配置为以期望角速度和所述制导算法生成的期望航向角为控制目标,执行运动控制算法以控制潜水器主体运动,使得潜水器主体追踪期望路径,所述运动控制算法基于CFDL-MFAC模型生成。
进一步的,所述运动控制算法由下式表示:
其中,表示采样时间;表示k时刻的航向角输出;表示k时刻纵向线速度输出;表示k时刻横向线速度输出;表示k时刻航向角速度输出;表示k时刻偏航力矩输入,表示k+1时刻的航向角输出,表示k+1时刻的航向角速度输出,m11、m22和m33为潜水器主体的惯性质量参数,d33为潜水器主体的水动力阻尼参数。
进一步的,判定目标水下区域是否为危险区域时执行以下步骤:当机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令后,采样摄像装置和声呐的检测信号,并判断在设定范围内是否存在直径大于潜水器主体自身最大直径的对象;如果设定范围内存在直径大于潜水器主体自身最大直径的对象,则判定目标水下区域为危险区域;否则判定目标水下区域为安全区域。
进一步的,通过切片算法生成与危险区域对应的局部路径并基于局部路径生成危险区域的期望路径包括以下步骤:机载控制器在判定为危险区域的目标水下区域的设定高度上确定一个与潜水器主体实时航行角平行的水平切面,并在水平切面上确定一条直线作为局部路径;重复上述步骤并将若干个所述局部路径连接起来生成危险区域的期望路径。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果是:本发明将三维路径转化为平面路径,降低计算难度,有利于控制水下机器人,使用改进的视线法作为制导律以及CFDL-MFAC作为控制律进行追踪控制,能够有效抵御水下风、浪、流的干扰,具备在复杂海况下进行水下航行的条件。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后,本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为适用于本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法的水下机器人中潜水器主体的主视图;
图2为适用于本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法的水下机器人中潜水器主体的后视图;
图3为水下机器人中机载控制器和岸基控制器之间的通信原理示意框图;
图4为本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法一个具体实施例的流程图;
图5为本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法的原理示意框图;
图6为本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法的视法图;
图7为CFDL-MFAC的控制原理示意框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下将结合附图和实施例,对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1和图2所示为适用于本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法的水下机器人的部分结构示意图。如图1和图2所示,水下机器人包括潜水器主体10。潜水器主体10包括水下推进系统、电源控制舱30和耐压舱32。潜水器主体10选用氧化铝合金和浮力材料制成,这两种材料的组合一方面可以有效减轻潜水器主体10的自重,另一方面也可以确保潜水器主体10在水下保持良好的悬浮状态。在本实施方式中,浮力材料优选为玻璃微珠,玻璃微珠可以确保潜水器主体10具备良好的耐水性和抗压性。
潜水器主体10在水平方向配备四个水下推进器(12、14、16和18),在垂直方向也配备四个水下推进器(20、22、24和26),共八个水下推进器组成水下推进系统,从而满足水下六自由度驱动,实现大于2节速度以及抗1节以上海流的能力,并可准确、稳定、快速实现位置运动控制。电源控制舱30和耐压舱32可选地采用不锈钢材质(例如选用316L不锈钢)加工制成,满足耐压及抗海水腐蚀的要求。潜水器主体10中所选用的结构连接附件可以选用由聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛树脂(Polyformaldehyde、POM)等材料制成的隔板进行区隔和组装,一方面可以保证结构强度,另一方面也可以防止电化学腐蚀等情况的发生,更好的保证装置的安全性。
电源控制舱30内设置有电源、第一直流转换器模块(也称DC-DC转换模块,Directcurrent-Direct current converter)、电力载波模块、电子调速器、单片机和第一漏水检测装置等部件。八个水下推进器与侧板(34和36)螺栓连接,电源为水下推进器供电。第一漏水检测装置配置为检测电源控制舱30内部是否存在漏水现象,漏水检测装置可以选用市售的漏水检测仪。
耐压舱32中设置有惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)、机载控制器48、第二漏水检测装置、交换机和第二直流转换器模块等部件。惯性导航系统利用惯性敏感器件(加速度计和陀螺仪)、基准方向以及初始位置信息确定潜水器主体10在惯性空间中的位置、方向和速度,实现自主式导航。在本实施方式中,惯性导航系统可以采用现有技术中成熟的系统和算法(例如积分计算),不是本发明的保护重点,在此不再赘述。惯性导航系统配置为向机载控制器48提供潜水器主体10的实时位置和实时姿态。
潜水器主体10还包括传感器模块,如图2所示,传感器模块包括但不限于搭载于潜水器主体10的摄像装置38(其中集成有灯组)、图像采集装置(例如红外传感器,图中未示出)、声音导航测距装置40(声呐)、声学多普勒速度仪42、深度计44、定位模块(例如GPS模块、北斗定位模块和无线电台)、温度传感器、湿度传感器、电压检测装置和电流检测装置;其中声学多普勒速度仪42配置为提供潜水器主体10自身坐标系下的速度信息,深度计44配置为提供深度信息,定位模块则可以在水面航行时获取精确位置信息。虽然惯性导航系统作为公共参考系统可以提供全部导航数据,但是惯性导航系统的导航精度会随着时间逐渐发散,定位模块可以配置为当潜水器主体10在水面使用时对惯性导航系统的定位累计误差进行修正,声学多普勒速度仪42可以限制惯性导航系统的速度误差累计,从而抑制定位漂移,深度计44则可以修正惯性导航系统在高度通道上的误差。
传感器模块与机载控制器48通信连接,传感器模块采样的数据以及惯性导航系统利用惯性敏感器件采样的数据均输出至机载控制器48中,由机载控制器48进行处理或转发。考虑到水下运行对结构强度、防尘、防潮、防腐蚀的要求,机载控制器48优选由工控机实现。机载控制器48配置为实现潜水器主体10的导航、路径规划和决策以及运动控制,并对潜水器主体10的状态进行监测以进行必要的应急控制。机载控制器48配置有多串口扩展卡和高速控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)接口卡。
潜水器主体10中所采用的水密接插件46可以有效解决供电以及各传感器之间的水密连接和通信问题,其中水密接插件46用于为潜水器主体10供电,其余水密接插件46用于各个传感器之间的水密连接通信。
除潜水器主体10之外,水下机器人还包括岸基控制器50。岸基控制器50优选设置在岸基工作站中。岸基控制器50中设置有存储单元、处理器、输入/输出接口、通信接口等元件,其中存储单元可以包括易失性存储器和非易失性存储器,存储单元配置为存储与潜水器主体10至少一个装置或设备相关联的指令或数据,例如存储潜水器主体10的任务规划和控制指令。示例性地,应用程序可以为通过潜水器主体10执行某一区域的打捞、求生、检测等任务。处理器可以是专用处理器、中央处理单元(CPU)等。处理器可以访问存储单元以执行在存储单元中所存储的指令以实现相关功能。输入/输出端口可以是串行通信接口。岸基控制器50可以通过输入/输出端口通信连接显示器,以通过显示器显示潜水器主体10的状态、动力参数、姿态、告警信息;或者通过输入/输出端口通信连接人机交互界面,通过人机交互界面实现控制参数的调节或调试。岸基控制器50还可以配置支持一种或多种无线通信协议的通信接口,以与无线终端实现交互连接,实现远程控制。
如图3所示,岸基控制器50与机载控制器48优选通过光纤实现双向通信连接,例如通过千兆交换机实现双向通信。当机载控制器48和岸基控制器50之间通信异常时,岸基控制器50自行执行信道异常检测并执行信道切换。
本发明所提供的水下机器人路径跟踪控制方法具体包括如图4所示的多个步骤。
步骤S11:机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令,探测目标水下区域。
步骤S12:判定目标水下区域是否为危险区域。
具体来说,当机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令后,采样摄像装置和声呐的检测信号,通过图像处理判断在设定范围内是否存在直径大于潜水器主体自身最大直径的对象;如果设定范围内存在直径大于潜水器主体自身最大直径的对象,则判定目标水下区域为危险区域;否则判定目标水下区域为安全区域。设定范围可选的设定为以10米为单位(边长或直径)的三维空间。潜水器主体自身最大直径可以是最大外切圆的直径。
步骤S13:如果目标水下区域为危险区域,则通过切片算法生成与所述危险区域对应的局部路径,并基于局部路径生成危险区域的期望路径。
具体来说,机载控制器在判定为危险区域的目标水下区域的设定高度上确定一个与潜水器主体实时航行角平行的水平切面,并在水平切面上确定一条直线作为局部路径。重复上述过程以遍历整个危险区域,将若干个局部路径连接起来生成危险区域的期望路径。设定高度优选为安全高度,即通过图像处理可以判定在设定高度下,潜水器主体不会与对象发生接触。
步骤S14:如果目标水下区域不属于危险区域,则目标水下区域为安全区域,则将安全区域划分为若干个子区域,并在每个子区域内设置一个基点。在子区域内可确定局部路径,局部路径可选地覆盖所述基点,将若干个局部路径连接起来生成安全区域的期望路径。由于子区域和基点一一对应,通过搜索基点,即可以找到该子区域,并确定期望路径是否遍历到对应的子区域。
通过上述步骤,将三维路径转化为平面路径,降低计算难度,从而更有利于控制水下机器人。
步骤S15:机载控制器配置为执行制导算法以得到与期望路径对应的期望航向角。
以下对制导算法(也称制导律)进行介绍。制导算法的原理是:如果使被控的潜水器主体的航向保持对准视线角(期望航向角),那么经过适当的控制就能使被控的潜水器主体到达期望的位置,达到航迹跟踪的效果。也即制导算法根据期望路径点与潜水器主体的实时位置信息,计算当前期望航向角。
如图6所示,具体来说,潜水器主体的实时位置、速度以及误差可以由一个三维路径点坐标表示。三维路径点坐标可示例性地表示为:;其中,代表潜水器主体在固定于地面的惯性坐标系下沿的投影(图6中分别用X E 和Y E 表示);u代表潜水器主体在固定于潜水器主体自身的坐标系0-xyz下沿x轴的速度,v代表潜水器主体在固定于潜水器主体自身的坐标系0-xyz下沿y轴的速度,代表潜水器主体实时位置与期望路径的横向误差,代表潜水器主体实时位置与期望路径的纵向误差。
潜水器主体三自由度方程为:
假设潜水器主体的位置(x,y)在期望路径上的投影记为,是一个正的路径变量。期望路径由若干个非封闭期望路径点组成。投影点对应的期望路径切向坐标系在投影点相对于固定地坐标系的顺时针旋转角度可以表示为:,其中:。
误差向量如式(2)所示:
将式1代入式3得:
将式1代入式6得:
得到误差的导数如下式表示:
制导律的原理是:如果使被控的潜水器主体的航向保持对准视线角,那么经过适当的控制就能使被控的潜水器主体到达期望的位置,达到航迹跟踪的效果;也就是期望航向角(即LOS角度)会引导被控的潜水器主体向期望轨迹移动直到。传统的制导律可以由下式表示:
然而,在未知的海况下,潜水器主体主要收到外界扰动引起的漂移力,在路径跟随过程中非零漂移角会产生明显扰动。为了处理洋流和其它环境扰动的影响,设计并通过机载控制器执行一种新的制导算法。
制导算法由下式表示:
由于前视距离为速度、跟踪误差相关的函数,而在本发明所提供的制导算法中进一步引入偏移角β,可以克服在制导过程中水下漂移角对路径跟踪控制的影响,可以降低潜水器主体偏离期望路径的概率,提高路径跟踪的精确性,避免较大的跟踪误差;上述制导算法可以避免在横向误差等于0的情况下,输出的期望航向角过大,导致跟踪精度下降。偏移角可以由现有的控制方法或检测手段获得。
步骤S16:机载控制器配置为以期望角速度和所述制导算法生成的期望航向角为控制目标,执行运动控制算法以控制潜水器主体运动,使得潜水器主体追踪期望路径。运动控制算法基于CFDL-MFAC模型生成。在可选的实施方式中,期望角速度的初始值也可以根据所执行的任务确定并由岸基控制器传输至机载控制器。
如图5所示,在制导算法输出期望航向角后,结合期望速度,机载控制器配置为执行无模型自适应控制算法(Model Free Adaptive Control,MFAC)以对潜水器主体进行控制,也即对推进系统进行控制,控制各个水下推进器的运动状态使得潜水器主体实现期望路径的追踪。
潜水器主体航向非线性控制系统的设计是整个控制系统核心部分。无模型自适应控制算法是于1994年提出的、针对离散时间非线性系统使用一种新的动态线性化方法,提出伪偏导数(Pseudo Partial Derivative,PPD)的新概念。伪偏导数参数可仅仅使用被控对象的输入/输出(Input/Output,I/O)数据来进行估计。无模型自适应控制算法的动态线性化有三种具体形式,分别是紧格式动态线性化(Compact Form Dynamic Linearization,CFDL)、偏格式动态线性化(Partial Form Dynamic Linearization,PFDL)和全格式动态线性化(Full Form Dynamic Linearization,FFDL)。
一般SISO离散时间非线性系统可以表示为:
对式(13)表示的非线性系统有如下假设。
式(15)是非线性系统的一种等价动态线性化表示,是一个用于控制器设计、具有简单增量形式的含有一个单参数的线性时变数据模型。对于离散时间系统,由最小化一步向前预报误差准则函数得到的控制算法有可能产生过大的控制输入,使控制系统本身遭到破坏,而由最小化加权一步向前预报误差准则函数得到的控制算法又有可能产生稳态的跟踪误差。
为解决上述问题,引入如下控制输入准则函数:
伪偏导数估计准则函数如下所示:
有:
因为伪偏导数对时变参数、时变结构、时变相位甚至滞后均并不敏感,因此,CFDL-MFAC具有非常强的鲁棒性和适应性。MFAC尤其适用于为一类离散时间非线性系统构建控制方案,此类系统在满足假设1和假设2的基础上,还满足假设3和假设4。
假设3可以认为是系统可设计求解的一个必要条件,即如式(15)所示的系统是输出可控的。假设4的物理意义是指控制输入增加时,其相应的受控系统输出应是不减的。
考虑到潜水器主体的航向输出范围为-180度至180度。但是当输入的舵角或偏航力矩增大时,航向角并不是一定增大,所以这组输入输出参数不能满足CFDL-MFAC中的假设4,而假设4可以认为是受控系统所必须满足的条件,所以将受控系统的输出定义为:
三自由度运动学及动力学模型为:
式(25)中第3项和第6项构成航向控制系统,可以改写为离散形式:
表示采样时间;表示系统在k时刻航向角输出;表示系统在k时刻纵向线速度输出;表示系统在k时刻横向线速度输出;表示系统在k时刻航向角速度输出;表示系统在k时刻偏航力矩输入;表示k+1时刻的航向角输出,表示k+1时刻的航向角速度输出,m11、m22和m33为潜水器主体的惯性质量参数,d33为潜水器主体的水动力阻尼参数。
式(22)差分形式的输出为:
考虑航向控制系统(如式26所示),对比式(27)和式(14),航向控制子系统伪偏导数等价表示为:
即:
设定潜水器主体的惯性质量参数m11-m33和水动力阻尼参数d11-d33,输入期望航向角和期望角速度,即可以生成控制信号驱动八个水下推进器转动,通过反馈使得潜水器主体的姿态和位置得到控制,潜水器主体与期望路径的偏差减小,并最终在期望路径的允许偏差内移动。本发明所使用的控制方法能够有效抵御水下风、浪、流的干扰,具备在复杂海况下进行水下航行的目的。控制信号驱动水下推进器转动可以采用现有技术中常见的电机调向、调速算法,不是本发明的重点,在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其进行限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的普通技术人员来说,依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.水下机器人路径跟踪控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令,探测目标水下区域;
如果目标水下区域为危险区域,则通过切片算法生成与所述危险区域对应的局部路径,并基于局部路径生成危险区域的期望路径;
如果目标水下区域为安全区域,将安全区域划分为若干个子区域,并在每个子区域内设置一个基点;基于若干个子区域的局部路径生成安全区域的期望路径;
机载控制器配置为执行制导算法以得到与期望路径对应的期望航向角;所述制导算法由下式表示:
其中,为期望航向角,为潜水器主体的实时位置在期望路径上的投影点所对应的期望路径切向坐标系相对于固定地坐标系的顺时针旋转角度,代表潜水器主体实时位置与期望路径的横向误差;Δ为前视距离,β为偏移角;所述前视距离Δ由下式计算:
其中k1,k2为控制参数,k1为常数且满足k1>0;k2=1/U且满足k2>0;Δmax为常数,表示前视距离的最大值;Δmin为常数,代表前视距离的最小值;U为潜水器主体合速度;e为自然常数;
机载控制器配置为以期望角速度和所述制导算法生成的期望航向角为控制目标,执行运动控制算法以控制潜水器主体运动,使得潜水器主体追踪期望路径,所述运动控制算法基于CFDL-MFAC模型生成。
4.根据权利要求1所述的水下机器人路径跟踪控制方法,其特征在于,
判定目标水下区域是否为危险区域时执行以下步骤:
当机载控制器接收岸基控制器生成并输出的任务控制指令后,采样摄像装置和声呐的检测信号,并判断在设定范围内是否存在直径大于潜水器主体自身最大直径的对象;
如果设定范围内存在直径大于潜水器主体自身最大直径的对象,则判定目标水下区域为危险区域;否则判定目标水下区域为安全区域。
5.根据权利要求4所述的水下机器人路径跟踪控制方法,其特征在于,
通过切片算法生成与危险区域对应的局部路径并基于局部路径生成危险区域的期望路径包括以下步骤:
机载控制器在判定为危险区域的目标水下区域的设定高度上确定一个与潜水器主体实时航行角平行的水平切面,并在水平切面上确定一条直线作为局部路径;重复上述步骤并将若干个所述局部路径连接起来生成危险区域的期望路径。
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