CN115503898A - 一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，包括：控制水下清洗机器人开启自适应控制模式，并根据自适应控制模式开启前的姿态数据控制水下清洗机器人的初始稳定姿态；实时获取水下清洗机器人的刷盘状态信息以及水下清洗机器人姿态数据；若刷盘为开启状态，则对水下清洗机器人姿态数据进行稳态滤波处理确定水下清洗机器人的稳态姿态数据，并根据稳态姿态数据实时调节水下清洗机器人的姿态，若刷盘为关闭状态，则获取刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据，根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，根据水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向控制水下清洗机器人沿贴合方向移动。

Description

一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法。

背景技术

船的稳定性和机动性是船只设计中的重大问题，既要足够稳定，又要机动灵活，还要航速快，船体形状需要根据这些方面做平衡设计，所以，在船体不同位置存在不同程度的弯曲。而水下清洗机器人在贴船清洗过程中，伴随船体不同位置的曲率的变化，水下清洗机器人的姿态要根据所处位置船体的实际曲率进行对应贴合。

目前，水下机器人的控制多是由水上远程控制。但在实际作业过程中，这种控制方式存在着很多未可预见的问题。以刷盘清洗机器人进行船体清洗为例，刷盘清洗机器人吸附行进时完全贴合船体，和船体曲率时刻保持一致，而船体不同位置的曲率是不一样的如果仅依据远程姿态控制指令来控制刷盘清洗机器人，则会出现刷盘清洗机器人实际与船体贴合的姿态与远程控制的姿态冲突，刷盘清洗机器人会向着远程控制的姿态进行调整，与吸附行进时状态相悖。

因此，如何设计一种水下清洗机器人与船体的自适应贴合方法，避免远程控制的姿态与清洗机器人实际与船体贴合的姿态冲突成为亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，在水下清洗机器人贴船作业时，使水下清洗机器人与船体始终保持贴合，避免水下清洗机器人与船体脱离，影响船体清洗效果和效率。

本发明提供一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，包括：

S1、控制水下清洗机器人开启自适应控制模式，并根据自适应控制模式开启前的姿态数据控制水下清洗机器人的初始稳定姿态；

S2、实时获取水下清洗机器人的刷盘状态信息以及水下清洗机器人姿态数据；

S3、若刷盘为开启状态，则对水下清洗机器人姿态数据进行稳态滤波处理确定水下清洗机器人的稳态姿态数据，并根据稳态姿态数据实时调节水下清洗机器人的姿态，若刷盘为关闭状态，则获取刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据，根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，根据水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向控制水下清洗机器人沿贴合方向移动，直至水下清洗机器人与待清洗船贴合。

进一步地，所述水下清洗机器人姿态数据包括水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和偏航角。

进一步地，S3中所述稳态滤波处理包括均值滤波、中值滤波和卡尔曼滤波。

进一步地，S3中所述根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，包括：

根据刷盘关闭前水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和偏航角计算水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量，其中，水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量为机器人坐标系的Z轴在站体坐标系下的方向向量，计算公式如下：

x＝-cos(yaw)sin(pitch)cos(roll)+sin(yaw)sin(roll)，

y＝-sin(yaw)sin(pitch)cos(roll)-cos(yaw)sin(roll)，

z＝cos(pitch)cos(roll)，

其中，roll为水下清洗机器人的横滚角，pitch为水下清洗机器人的俯仰角，yaw为水下清洗机器人的偏航角；

根据水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量控制水下清洗机器人沿法向量方向移动。

与现有技术相比，采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、在水下清洗机器人的刷盘开启时，水下清洗机器人在刷盘的作用下吸附在船体上时，为了在水流与船体震动条件下，保证水下清洗机器人与船体贴合，需要不断更新水下清洗机器人姿态，受到采集的姿态数据起伏影响，频繁更新水下清洗机器人姿态会降低水下清洗机器人的运行效率，对采集到的水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和航向角等姿态数据进行稳态滤波，实现姿态数据采集的相对稳定，降低姿态更新频率，保证水下清洗机器人姿态维持在相对稳定的状态，提高运行效率。

2、在水下清洗机器人的刷盘关闭时，刷盘吸力失效，为了在水流与船体震动条件下，避免水下清洗机器人与船体脱离，需要控制水下清洗机器人向船体方向移动，通过获取水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和航向角等姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘向船体的贴合方向，进而控制水下清洗机器人沿贴合方向移动，在刷盘吸力失效情况下，保证了水下清洗机器人与船体贴合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法的流程图。

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做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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，适用于带刷盘的水下清洗机器人，包括如下步骤：

S1、控制水下清洗机器人开启自适应控制模式，并根据自适应控制模式开启前的姿态数据控制水下清洗机器人的初始稳定姿态；

在一种可能的实施方式中，所述水下清洗机器人姿态数据包括水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和偏航角，这些姿态数据可通过搭载在水下清洗机器人上的测量设备进行测量，例如电子罗盘。

S2、实时获取水下清洗机器人的刷盘状态信息以及水下清洗机器人姿态数据；

水下清洗机器人达到稳态后，水下清洗机器人的刷盘可能开启或关闭，根据水下清洗机器人的刷盘所处的不同状态，自适应地控制水下清洗机器人的姿态，以使水下清洗机器人与船体贴合。

S3、若刷盘为开启状态，则对水下清洗机器人姿态数据进行稳态滤波处理确定水下清洗机器人的稳态姿态数据，并根据稳态姿态数据实时调节水下清洗机器人的姿态，若刷盘为关闭状态，则获取刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据，根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，根据水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向控制水下清洗机器人沿贴合方向移动，直至水下清洗机器人与待清洗船贴合。

在水下清洗机器人的刷盘开启时，由于水流与船体震动等问题，水下清洗机器人与船体存在前后震动，水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和航向角等姿态数据围绕稳定状态呈现周期性分布。由于刷盘吸附使水下清洗机器人与船体贴合，受到采集的姿态数据起伏影响，频繁更新水下清洗机器人姿态会降低水下清洗机器人的运行效率，因此，需要对采集到的水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和航向角等姿态数据进行稳态滤波处理，保持姿态数据尽可能处于稳态。在设定采集周期内，当水下清洗机器人与待清洗船的相对位置变化足够小且近似为稳定状态，此时水下清洗机器人与待清洗船的相对位置误差在预设范围内，得到稳态姿态数据，作为调节水下清洗机器人姿态的依据。

在一种可能的实施方式中，S3中所述稳态滤波处理包括均值滤波、中值滤波和卡尔曼滤波。

水下清洗机器人清洗过程中，当横移、勘察、洗完、换舷等操作间隙，均有刷盘停止工作的短暂时间周期，此时刷盘吸力失效，在水流与船体震动条件下，可能出现水下清洗机器人与船体脱离，因此，需要在刷盘停止工作时，提供足够的维持力，让水下清洗机器人与船体保持贴合。由于刷盘关闭时间较短，认为船体和水下清洗机器人此期间属于均匀稳态运动，船体面和水下清洗机器人的刷盘面保持平行关系，只有平行间距发生变化，为保证刷盘关闭期间，水下清洗机器人依然能够牢牢贴附在船体表面，通过获取水下清洗机器人的刷盘关闭前的横滚角、俯仰角和航向角等姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘向船体的贴合方向，进而控制水下清洗机器人沿贴合方向移动，维持水下清洗机器人与船体的贴合状态。

在一种可能的实施方式中，S3中所述根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，包括：

根据刷盘关闭前水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和偏航角计算水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量，其中，水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量为机器人坐标系的Z轴在站体坐标系下的方向向量，计算公式如下：

x＝-cos(yaw)sin(pitch)cos(roll)+sin(yaw)sin(roll)，

y＝-sin(yaw)sin(pitch)cos(roll)-cos(yaw)sin(roll)，

z＝cos(pitch)cos(roll)，

其中，roll为水下清洗机器人的横滚角，pitch为水下清洗机器人的俯仰角，yaw为水下清洗机器人的偏航角；

x的+代表东向移动，-代表西向移动；

y的+代表北向移动，-代表南向移动；

z的+代表向上浮动，-代表下沉移动；

根据水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量控制水下清洗机器人沿法向量方向移动。

需要说明的是，站体坐标系为设置在船体表面的参考坐标系，机器人坐标系为设置在水下清洗机器人的刷盘面上的参考坐标系，二者共原点。

经过上述水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，在水下清洗机器人的刷盘开启时，实现姿态数据采集的相对稳定，降低姿态更新频率，保证水下清洗机器人姿态维持在相对稳定的状态，提高运行效率；在刷盘吸力失效情况下，保证了水下清洗机器人与船体贴合。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (4)

1.一种水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，其特征在于，包括：

S1、控制水下清洗机器人开启自适应控制模式，并根据自适应控制模式开启前的姿态数据控制水下清洗机器人的初始稳定姿态；

S2、实时获取水下清洗机器人的刷盘状态信息以及水下清洗机器人姿态数据；

S3、若刷盘为开启状态，则对水下清洗机器人姿态数据进行稳态滤波处理确定水下清洗机器人的稳态姿态数据，并根据稳态姿态数据实时调节水下清洗机器人的姿态，若刷盘为关闭状态，则获取刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据，根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，根据水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向控制水下清洗机器人沿贴合方向移动，直至水下清洗机器人与待清洗船贴合。

2.根据权利要求1所述的水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，其特征在于，所述水下清洗机器人姿态数据包括水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和偏航角。

3.根据权利要求1所述的水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，其特征在于，S3中所述稳态滤波处理包括均值滤波、中值滤波和卡尔曼滤波中的一种。

4.根据权利要求2所述的水下清洗机器人与待清洗船的自适应贴合方法，其特征在于，S3中所述根据刷盘关闭前水下清洗机器人姿态数据计算水下清洗机器人的刷盘面的贴合方向，包括：

根据刷盘关闭前水下清洗机器人的横滚角、俯仰角和偏航角计算水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量，其中，水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量为机器人坐标系的Z轴在站体坐标系下的方向向量，计算公式如下：

x＝-cos(yaw)sin(pitch)cos(roll)+sin(yaw)sin(roll)，

y＝-sin(yaw)sin(pitch)cos(roll)-cos(yaw)sin(roll)，

z＝cos(pitch)cos(roll)，

其中，roll为水下清洗机器人的横滚角，pitch为水下清洗机器人的俯仰角，yaw为水下清洗机器人的偏航角；

根据水下清洗机器人的刷盘面在站体坐标系下的法向量控制水下清洗机器人沿法向量方向移动。

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