CN116736721B - 一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统 - Google Patents
一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116736721B CN116736721B CN202310852073.2A CN202310852073A CN116736721B CN 116736721 B CN116736721 B CN 116736721B CN 202310852073 A CN202310852073 A CN 202310852073A CN 116736721 B CN116736721 B CN 116736721B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- underwater robot
- fuzzy
- control
- propeller
- angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 230000009193 crawling Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 24
- 230000009194 climbing Effects 0.000 claims description 17
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 15
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 14
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 12
- 230000009182 swimming Effects 0.000 claims description 12
- 241000252254 Catostomidae Species 0.000 claims description 11
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 6
- 230000002493 climbing effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 claims description 6
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 241000170489 Upis Species 0.000 claims description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 4
- 230000009184 walking Effects 0.000 claims description 4
- 238000012938 design process Methods 0.000 claims description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 230000009183 running Effects 0.000 claims 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 6
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 125000003275 alpha amino acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000009189 diving Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
- G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明公开了一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统，包括根据水下机器人动力学模型得到大地坐标系下的横垂面控制模型；基于横垂面控制模型，水下机器人进行游走作业和爬行作业模式切换：当翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，采用模糊控制器对水下机器人推进器进行转速控制；当翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制器对水下机器人进行位姿控制；在达到与壁面近似平行的期望角度时，水下机器人推进器对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面。能够有效的进行水下机器人水下作业方式间的切换，既能保证水下机器人安全作业又能符合工程需求。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人控制技术领域，具体涉及一种变结构水下机器人作业模式切换控制方法。
背景技术
随着社会、经济发展的需要，水下资源和空间的探索利用具备高度的战略价值。各种海洋工程设备、船舶桥梁设施、水库大坝工程、港口码头建筑都得到了飞速的发展和应用。水下设备和建筑物在长期服役过程中，水流、波浪、水生物等外部因素，以及设计、选材、应力等自身因素，都可能对水下设备、工程的表面形成裂纹、腐蚀等破坏，严重影响其使用寿命以及人员安全。
对于水下建筑、工程的基础检修，传统的方法是由专业潜水员携带一系列用于探测和维修的设备进行下潜作业。然而，水下环境复杂且危险，潜水员作业时间和作业面积相对受限，并且难以保证人员安全。
近年来水下机器人的广泛应用，逐渐取代了危险环境中的人工作业。利用水下机器人的建筑、工程检修作业目前主要采用两种方式，一种是通过遥控无人潜水器进行近壁面作业，但是该方式无法保证水下机器人长时间在动态水流环境下保持稳定悬停，并且存在操作不当发生碰撞的风险。另一种是使用水下爬壁机器人直接贴附于壁面作业，但是建筑物表面情况的差异，不同吸附机理在壁面上表现参差不齐，严重情况下极易导致移动性能差、吸附力不可靠。此外，水下机器人壁面的越障问题也使得自身结构及系统设计复杂度急剧上升。
因此，需要针对水下机器人设计具有更加有效的水下作业方式以及作业方式间的切换，既能保证水下机器人安全作业又能符合工程需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统，本发明变结构水下机器人同时具备游动和爬壁两种工作模式，可在接近水下结构物时切换姿态吸附至壁面进行爬壁的工作模式，若遇到难以翻越的障碍或完成工作点任务直接从壁面脱离切换至游动状态，巡游至下一个工作点重新吸附后进行爬壁作业。同时，本发明基于模糊生物启发反步滑模级联控制的大角度侧翻模式切换控制，可更加有效的实现作业方式间的切换。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，所述变结构水下机器人同时具备游动作业和爬壁作业两种工作模式，所述变结构水下机器人游走模式运动控制方法，包括：
根据水下机器人动力学模型得到大地坐标系下的横垂面控制模型；
基于横垂面控制模型，水下机器人进行游走作业和爬行作业模式切换：
当翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，采用模糊控制器对水下机器人推进器进行转速控制；
当翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制器对水下机器人进行位姿控制；
在达到与壁面近似平行的期望角度时，水下机器人推进器对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面，实现爬壁动作。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的水下机器人采用开架型结构，且所有控制系统和锂电池较均集中放置在圆柱形腔体中，腔体作为整个水下机器人系统的元中心为航行器在水下提供多自由度游动的稳定性。
上述的水下机器人水平和垂直共配置8 个推进器，且水平布局的4 个推进器沿水平轴线呈45°角倾斜放置，满足前后左右平移及转向需求；垂直分布的4 个推进器产生垂直方向运动推力，其布局按照反桨-正桨交替方式进行，抵消内部螺旋桨叶旋转过程中产生的作用扭矩，通过8 个推进器的配合使用实现水下机器人在水中六个自由度的游动。
上述的水下机器人采用非接触式吸附模式进行爬壁作业；
爬壁作业中利用推进器外加吸盘外壳构成伯努利吸盘以实现吸附功能：
根据水下伯努利吸盘的吸附特性，在近壁面处，当吸盘底部与壁面形成设定距离内的间隙时当作非接触式吸盘使用；
爬壁作业中采用万向被动轮配合推进器驱动的方式实现壁面移动；
在航行器顶部两侧各安装2 个万向被动轮，在爬壁作业中，通过万向被动轮提供的间隙，使得四个伯努利吸盘能够提供稳定的吸附力，通过调节水平安装的4 个推进器的输出力，使得航行器能够在壁面上完成三自由度的运动。
上述的水下机器人动力学模型表示为公式（1）-（2）：
（1）
（2）
其中，表示惯性矩阵，/>表示水下机器人在机体坐标系下的线速度，/>表示水下机器人在机体坐标系下的线加速度，/>表示粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，表示由重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，/>表示由推进器产生的推力，/>表示在大地坐标系下机器人的位姿，/>表示在大地坐标系下机器人的速度，/>表示大地坐标系和机体坐标系转换矩阵；/> （3）
其中，表示水下机器人受到的重力，/>表示水下机器人受到的浮力，/>表示水下机器人在大地坐标系下的横摇角度，/>是水下机器人在机体坐标系中z 轴坐标；
（4）
其中，表示水下机器人运动时各个推进器的作用力，/>表示水平推进分布的角度，/>表示推进器到机器人中心位置的力臂值。
上述的将水下机器人动力学模型转化到大地坐标系，得到大地坐标系下的横垂面控制模型为：
（5）
其中，*表示为大地坐标系的各种参量，即表示大地坐标系下的惯性矩阵，表示大地坐标系下的粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，/>表示大地坐标系下重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，/>表示大地坐标系下推进器产生的推力；
（6）
（7）
在大地坐标系下，假定仅对水下机器人横摇角进行控制，且此时刻沿y轴和z轴的速度（即，/>）和加速度（即/>，/>）均为 0，即/>，在z轴方向上存在恒定的外力作用，根据式(7)可知为了保证模式切换时机体稳定，需要在水下机器人侧翻时使用垂直和水平推进器同时进行补偿，且随角度增大垂直推进器作用减小，水平推进器作用增强。
上述的模糊控制器以当前翻转角与作业壁面平行角的偏差，即横摇角的偏差E以及偏差变化量EC作为输入量，推进器转速Y为输出量，其模糊控制策略为：
（1）将横摇角的偏差E及偏差变化量EC划分为模糊子集；
将推进器转速Y划分为模糊子集；
选取E, EC和Y的论域；
输入量与输出量均采用三角形隶属度函数；
（2）基于（1）得到相应的模糊控制规则，采用MAX-MIN的合成运算法则，计算模糊控制规则蕴含的模糊关系；
（3）通过遍历E和EC所有的论域对模糊值进行选取，并计算模糊输出值：
（9）
采用重心法进行解模糊：
（10）
式中：为模糊控制器输出量解模糊后的精确值，/>为模糊控制量论域内的值，为/>的隶属度值。
上述的生物启发反步滑模级联控制器的控制策略为：
设定是期望的位姿，/>为实际的位姿，水下机器人位姿的误差/>为：
（11）
相应的滑模面与控制律设计过程为：
滑模面设计为： （12）
其中，s是误差滑模面，表示水下机器人误差的导数，/>表示一个正常数；对等式（12）求导，得到：
（13）
其中，表示误差滑模面的导数，/>表示水下机器人误差的二阶导数，/>表示在大地坐标系下机器人的期望速度，/>表示在大地坐标系下机器人的实际的速度；
当水下机器人系统运行于滑模面的时候，等式（13）等于零，即：
（14）
将大地坐标系下的横垂面控制模型代入等式（14），得到：
（15）
将水下机器人的动力学方程等效为估计动力学项与未知动力学项/>，即：
（16）
其中：，/>，/>，/>，/>是/>，/>，/>的估计项，/>，/>，/>是/>，/>，/>的未知项，/>是未知的扰动量；
因此等价控制律可以推导为：
（17）
（18）
其中，是正常值系数；
传统的滑模控制可以设计为：
（19）
其中，k是控制器正常值系数；
为了消除由不连续切换项带来的抖振问题，构造自适应控制项加入到控制律中去取代切换项/>：
（20）
其中，是用来估计未知量/>的自适应变化项，K自适应控制器的正常值系数，未知的不确定量/>满足以下更新率：
（21）
其中，自适应控制器的正常值系数；
则完整的控制律可以表述为：
（22）。
上述的推进器的模型为：
（23）
其中，是标准化的PWM控制值，/>是推进器输出的力。
一种变结构水下机器人游走模式运动控制系统，所述变结构水下机器人同时具备游动作业和爬壁作业两种工作模式，所述变结构水下机器人游走模式运动控制系统，包括：模糊控制器、生物启发反步滑模级联控制器和位姿传感器；
所述位姿传感器采集水下机器人位姿信息，并得到翻转角与作业壁面平行角的偏差；
所述模糊控制器、生物启发反步滑模级联控制器基于横垂面控制模型，对水下机器人进行游走作业和爬行作业模式切换：
模糊控制器在翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，对水下机器人推进器进行转速控制；
生物启发反步滑模级联控制器在翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，对水下机器人进行位姿控制；
水下机器人推进器在达到与壁面近似平行的期望角度时，对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面，实现爬壁动作。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明水下机器人的结构设计为高度开放的开架型结构，可满足水下机器人具有更高的机动性，并且所有控制系统和锂电池都被集中放置在圆柱形腔体中，腔体作为整个系统的元中心能够为航行器在水下提供多自由度游动的稳定性。推进器采用水平和垂直8 个推进器布局模式，水平布局的4 个推进器沿水平轴线呈45°角倾斜放置，满足前后左右平移及转向需求；垂直分布的4 个推进器产生垂直方向运动推力，其布局按照反桨-正桨交替方式进行，抵消内部螺旋桨叶旋转过程中产生的作用扭矩，通过8 个推进器的配合使用实现了水下机器人在水中六个自由度的游动。
（2）本发明采用万向被动轮配合推进器驱动的方式实现壁面移动，在爬壁模式下，通过轮子提供的间隙，使得四个伯努利吸盘能够提供稳定的吸附力；通过调节水平安装的4个推进器的输出力，使得航行器能够在壁面上完成三自由度的运动，充分利用了现有驱动设备，减少航行器额外负重及空间消耗，降低控制系统复杂度。
（3）作业模式切换控制：区别于其他需要在水下动态环境中进行姿态稳定才能进行作业的机器人，本发明针对的机器人只需在达到与作业壁面平行的角度附近之后快速推进吸附至壁面即可，因此对于姿态稳定控制没有过高的要求，在满足工程实际应用的前提下应尽可能降低控制系统开发难度，并允许一定范围内的偏差或震荡。本发明的方法确保水下机器人机体大角度侧翻时不会产生沿其余轴方向的不必要的运动。游走作业和爬行作业模式切换，该航行器采用大姿态角度侧翻策略，达到与壁面近似平行的期望角度之后，迅速吸附实现爬壁动作。本发明为了保证航行器的稳定需要在侧翻时使用垂直和水平推进器同时进行补偿，且随角度增大垂直推进器作用减小，水平推进器作用增强。同时，为了减少系统的非线性特性，将航行器的重力配置为和自身浮力基本相等。通过垂直、水平方向与翻转角度解耦合，使得深度方向所受静力近似为0。此时只需四个伯努利吸盘当作推进器使用，其中两个正转，两个反转，且推力相等即可实现大姿态角度侧翻。本发明对于四个伯努利吸盘的控制采用方法简单效果比较理想的模糊生物启发反步滑模级联控制方法。考虑到航行器进行大角度的侧翻动作，初始时刻机体的角度偏差较大，采用模糊算法对其翻转的角度进行初始调节。当翻转角度小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制精准控制。考虑到反步算法速度跳变和由此引起的驱动饱和问题。因此，在反步滑模级联控制设计中用生物启发方式克服跳变。当控制器输出达到设定的饱和值时，利用生物启发模型的渐变、有界输出特性，克服了速度跳变。
附图说明
图1 为本发明的游走模式的推进器分布图；
图2 为本发明的爬壁模式下的轮子布局图；
图3 为本发明的作业模式切换策略框图；
图4 为本发明的隶属度函数图；
图5 为本发明的基于生物启发模型的反步滑模级联控制图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
变结构水下机器人模式切换是将水下机器人从一种工作模式切换到另一种工作模式。通过结合模糊控制和生物启发反步滑模级联控制的优点，提出了一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统。由生物启发反步滑模级联控制器和模糊控制器复合而成，通过设置一个自动切换开关，使控制系统在二者之间进行切换，水下机器人ROV在不同工作阶段采取不同的控制算法以调整控制特性，充分发挥模糊控制器在大偏差下的快速纠偏以及生物启发反步滑模级联控制器在较小偏差下的稳定纠偏特点，兼顾各种工况，以实现更好的控制性能。
模式切换的流程，如图3所示，本发明提供的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，具体包括如下内容：
（1）游动作业模式：
由于绝大部分的水下结构体都位于浅水区域，为了满足水下机器人具有更高的机动性，水下机器人的结构设计为高度开放的开架型结构，并且所有控制系统和锂电池都被集中放置在圆柱形腔体中，腔体作为整个系统的元中心能够为航行器在水下提供多自由度游动的稳定性。推进器配置上选用T200 型号，水平和垂直8 个推进器布局模式。水平布局的4 个推进器沿水平轴线呈45°角倾斜放置，满足前后左右平移及转向需求；垂直分布的4个推进器产生垂直方向运动推力，其布局按照反桨-正桨交替方式进行，抵消内部螺旋桨叶旋转过程中产生的作用扭矩，如图1 所示。通过8 个推进器的配合使用实现水下机器人在水中六个自由度的游动。
（2）爬壁作业模式：
本发明爬壁作业采用非接触式吸附模式。爬壁作业中的吸附功能是利用推进器外加吸盘外壳构成伯努利吸盘实现。根据水下伯努利吸盘的吸附特性，在近壁面处，当吸盘底部与壁面形成一定距离内的间隙时可当作非接触式吸盘使用。为了充分利用现有驱动设备，减少航行器额外负重及空间消耗，降低控制系统复杂度，采用万向被动轮配合推进器驱动的方式实现壁面移动。万向被动轮选择4个分别安装在航行器顶部两侧，如图2所示。在爬壁模式下，通过轮子提供的间隙，使得四个伯努利吸盘能够提供稳定的吸附力；通过调节水平安装的4个推进器的输出力，使得航行器能够在壁面上完成三自由度的运动。
（3）作业模式切换控制：
区别于其他需要在水下动态环境中进行姿态稳定才能进行作业的机器人，本发明针对的机器人只需在达到与作业壁面平行的角度附近之后快速推进吸附至壁面即可，因此对于姿态稳定控制没有过高的要求，在满足工程实际应用的前提下应尽可能降低控制系统开发难度，并允许一定范围内的偏差或震荡。本发明的方法确保水下机器人机体大角度侧翻时不会产生沿其余轴方向的不必要的运动。游走作业和爬行作业模式切换，该航行器采用大姿态角度侧翻策略，达到与壁面近似平行的期望角度之后，迅速吸附实现爬壁动作。如果侧翻时仅对角度进行控制，在深度方向会存在恒定的外力作用，为了保证航行器的稳定需要在侧翻时使用垂直和水平推进器同时进行补偿，且随角度增大垂直推进器作用减小，水平推进器作用增强。同时，为了减少系统的非线性特性，将航行器的重力配置为和自身浮力基本相等。通过垂直、水平方向与翻转角度解耦合，使得深度方向所受静力近似为0。此时只需四个伯努利吸盘当作推进器使用，其中两个正转，两个反转，且推力相等即可实现大姿态角度侧翻。对于四个伯努利吸盘的控制采用方法简单效果比较理想的模糊生物启发反步滑模级联控制方法。考虑到航行器进行大角度的侧翻动作，初始时刻机体的角度偏差较大，采用模糊算法对其翻转的角度进行初始调节。当翻转角度小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制精准控制。考虑到反步算法速度跳变和由此引起的驱动饱和问题。因此，在反步滑模级联控制设计中用生物启发方式克服跳变。当控制器输出达到设定的饱和值时，利用生物启发模型的渐变、有界输出特性，克服速度跳变。模式切换算法框图如图3所示。整个模式切换控制过程为：由模糊算法对翻转角度大时进行控制；当翻转角小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制控制。在趋近期望角附近的时候，对机身深度方向施加推力，直至航行器贴附与壁面。
基于模糊生物启发反步滑模级联大角度侧翻控制模式切换，涉及：
第一步，动力学模型创建
为了实现模式切换，需要水下机器人进行横摇方向上的大角度侧翻，在期望角附近稳定后再施加机体坐标系下z方向的控制量使得机体向壁面推进贴附；
在控制过程中，机器人由于自身因素及环境影响可能会对自身运动产生干扰，因此需要在实现关联控制功能前把相关因素进行排除，故对机体的动力学模型开展分析；
因为水下机器人在模式切换时，可以假设水平面和垂直的运动耦合程度较小，因此可将模型进行降阶之后取横垂面运动模型进行分析；
考虑到机体系统在水中运动速度较慢，忽略科氏向心力矩阵和高阶粘性水动力项，则动力学模型表示为公式（1）-（2）：
（1）
（2）
其中，表示惯性矩阵，/>表示水下机器人在机体坐标系下的线速度，/>表示水下机器人在机体坐标系下的线加速度，/>表示粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，表示由重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，/>表示由推进器产生的推力，/>表示在大地坐标系下机器人的位姿，/>表示在大地坐标系下机器人的速度，/>表示大地坐标系和机体坐标系转换矩阵；/> （3）
其中，表示水下机器人受到的重力，/>表示水下机器人受到的浮力，/>表示水下机器人在大地坐标系下的横摇角度，/>是水下机器人在机体坐标系中z 轴坐标；
（4）
其中，表示水下机器人运动时各个推进器的作用力，/>表示水平推进分布的角度，/>表示推进器到机器人中心位置的力臂值。
将水下机器人动力学模型转化到大地坐标系，得到大地坐标系下的横垂面控制模型，表示为
（5）
其中，*表示为大地坐标系的各种参量，即表示大地坐标系下的惯性矩阵，表示大地坐标系下的粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，/>表示大地坐标系下重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，/>表示大地坐标系下推进器产生的推力；
（6）
（7）
在大地坐标系下，假定仅对水下机器人横摇角进行控制，且此时刻沿y轴和z轴的速度（即，/>）和加速度（即/>，/>）均为 0，即/>，在z轴方向上存在恒定的外力作用，根据式(7)可知为了保证模式切换时机体稳定，需要在水下机器人侧翻时使用垂直和水平推进器同时进行补偿，且随角度增大垂直推进器作用减小，水平推进器作用增强。
第二步，模糊控制器设计
ROV在由当前横摇转动至与作业壁面平行角度阶段，推进器转速需实时跟随横摇角不断变化，模糊控制器具有能适应被控对象非线性和时变性的优点，且鲁棒性较好。因此在翻转阶段，采用模糊控制来输出较大的控制量，提高响应速度，能够快速完成翻转阶段向保持阶段的过渡。翻转角的偏差变化通过姿态传感器获取。姿态传感器将采集到的信息传回系统，由系统计算得到当前ROV的翻转角误差信息，设置一个自动切换开关S，通过比较偏差E与阈值的大小关系，来决定控制方式。当/>时，认为ROV当前横摇角与作业壁面平行角偏差较大，系统动态过程明显，应采用模糊控制方式，发挥其动态性能好，响应迅速的特点。由于模糊控制在平衡点附近存在盲区，根据模糊控制的这个特性，阈值/>通过统计实验数据整定得到，初步设置为最大偏差的20%，模糊生物启发反步滑模级联切换控制原理如图3所示。
本发明以当前翻转角与作业壁面平行角的偏差E，偏差变化量EC作为输入量，推进器转速Y为输出量，设计了一个双输入-单输出的模糊控制器。将横摇角的偏差E及偏差变化量划分为7个模糊子集，即NB（负大）, NM（负中）, NS（负小）, ZO（零）, PS（正小）, PM（正中）, PB（正大）。将推进器转速Y划分为4个模糊子集，即ZO（零）, PS（正小）, PM（正中）, PB（正大）。选取E, EC和Y的论域分别为[-90,90], [-30,30] 和 [80,110]。输入量与输出量均采用三角形隶属度函数，如图4所示。
根据试验得出的经验，确定如表1所示的49条模糊控制规则：
设计中采用MAX-MIN的合成运算法则，计算模糊控制规则蕴含的模糊关系： （8）
式（8）中，表示表1中49条模糊控制规则中的一条。
计算出模糊规则蕴含的模糊关系后，通过遍历E和EC所有的论域对模糊值进行选取，并计算模糊输出值：
（9）
其中，o表示模糊矩阵的合成，类似于普通矩阵的乘积运算，将乘积运算换成“取小”，将加法运算换成“取大”；
采用重心法进行解模糊：
（10）
式中：为模糊控制器输出量解模糊后的精确值，/>为模糊控制量论域内的值，为/>的隶属度值。
第三步，生物启发反步滑模级联控制器设计
姿态传感器将采集到的信息传回系统，由系统计算得到当前ROV的翻转角误差信息，设置一个自动切换开关S，通过比较偏差E与阈值的大小关系，来决定控制方式；
当时，认为ROV当前横摇角与作业壁面平行角偏差较小，系统趋于稳态，应采用生物启发反步滑模级联控制方式，发挥其良好的稳态性能；
设定是期望的位姿，/>为实际的位姿，水下机器人位姿的误差/>为：
（11）
考虑到滑模控制的鲁棒特性，通过设计改进的滑模控制算法实现位姿跟踪，进而达到翻转目的。标准滑模控制的设计分为两个步骤，一是设计滑模面，二是设计控制律。这里滑模面设计如下：
（12）
其中，s是误差滑模面，表示水下机器人误差的导数，/>表示一个正常数；
求导等式（12），则：
（13）
其中，表示误差滑模面的导数，/>表示水下机器人误差的二阶导数，/>表示在大地坐标系下机器人的期望速度，/>表示在大地坐标系下机器人的实际的速度；
当水下机器人系统运行于滑模面的时候，等式（13）等于零，即：
（14）
将等式（5）代入等式（14），得到：
（15）
考虑到水下机器人的系统动力学模型是不完全已知的，将水下机器人的动力学方程等效为估计动力学项与未知动力学项/>，即：
（16）
其中：，/>，/>，/>，/>是/>，/>，/>的估计项，/>，/>，/>是/>，/>，/>的未知项，/>是未知的扰动量；
因此等价控制律可以推导为：
（17）
考虑到计算等式（17）中比较复杂，这里加入一个误差加速度的反馈控制方法：
（18）
其中，是正常值系数；
传统的滑模控制可以设计为：
（19）
其中，k是控制器正常值系数；
为了消除由不连续切换项带来的抖振问题，构造自适应控制项加入到控制律中去取代切换项/>：
（20）
其中，是用来估计未知量/>的自适应变化项，K自适应控制器的正常值系数，未知的不确定量/>满足以下更新率：/>
（21）
其中，自适应控制器的正常值系数；
则完整的控制律可以表述为：
（22）。
第四步，推进器输出设计
在得到机体控制模型之后，对于执行器模型来说，本次采用的为 T200 推进器，其内部系统模型已由国外研究者经过系统辨识方法得到。如式（23）所示，其中输入为标准化后的 PWM 控制值（限定范围为-150~150），输出量为：
（23）
其中，是标准化的PWM控制值，/>是推进器输出的力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，所述变结构水下机器人同时具备游动和爬壁两种作业模式，其特征在于，所述变结构水下机器人游走模式运动控制方法，包括：
根据水下机器人动力学模型得到大地坐标系下的横垂面控制模型；
基于横垂面控制模型，水下机器人进行游走和爬行作业模式切换：
当翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，采用模糊控制器对水下机器人推进器进行转速控制；
所述模糊控制器以当前翻转角与作业壁面平行角的偏差，即横摇角的偏差E以及偏差变化量EC作为输入量，推进器转速y为输出量，其模糊控制策略为：
(1)将横摇角的偏差E及偏差变化量EC划分为模糊子集；
将推进器转速Y划分为模糊子集；
选取E,EC和Y的论域；
输入量与输出量均采用三角形隶属度函数；
(2)基于(1)得到相应的模糊控制规则，采用MAX-MIN的合成运算法则，计算模糊控制规则蕴含的模糊关系R；
(3)通过遍历E和EC所有的论域对模糊值进行选取，并计算模糊输出值：
采用重心法进行解模糊：
式中：F0为模糊控制器输出量解模糊后的精确值，Fi为模糊控制量论域内的值，μc(Fi)为Fi的隶属度值；
当翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，采用生物启发反步滑模级联控制器对水下机器人进行位姿控制；
所述生物启发反步滑模级联控制器的控制策略为：
设定是期望的位姿，ηR为实际的位姿，水下机器人位姿的误差ec为：
相应的滑模面与控制律设计过程为：
滑模面设计如下：
其中，s是误差滑模面，表示水下机器人误差的导数，Λ表示一个正常数；
对等式(12)求导，得到：
其中，表示误差滑模面的导数，/>表示水下机器人误差的二阶导数,/>表示在大地坐标系下机器人的期望速度，/>表示在大地坐标系下机器人的实际的速度；
当水下机器人系统运行于滑模面的时候，等式(13)等于零，即：
将大地坐标系下的横垂面控制模型代入等式(14)，得到：
将水下机器人的动力学方程等效为估计动力学项与未知动力学项/>即：
其中：是/>的估计项，/>是/>的未知项，/>是未知的扰动量；
因此等价控制律推导为：
其中，kc是正常值系数；
传统的滑模控制设计为
其中，k是控制器正常值系数；
为了消除由不连续切换项带来的抖振问题，构造自适应控制项加入到控制律中去取代切换项ksgn(s)：
其中，是用来估计未知量/>的自适应变化项，K自适应控制器的正常值系数，未知的不确定量/>满足以下更新率：
其中，Γ自适应控制器的正常值系数；
则完整的控制律表述为：
在达到与壁面近似平行的期望角度时，水下机器人推进器对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面，实现爬壁动作。
2.根据权利要求1所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述水下机器人采用开架型结构，且所有控制系统和锂电池较均集中放置在圆柱形腔体中，腔体作为整个水下机器人系统的元中心为航行器在水下提供多自由度游动的稳定性。
3.根据权利要求2所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述水下机器人水平方向和垂直方向各配置4个推进器，且水平方向布局的4个推进器沿水平轴线呈45°角倾斜放置，满足前后左右平移及转向需求；垂直方向分布的4个推进器产生垂直方向运动推力，其布局按照反桨-正桨交替方式进行，抵消内部螺旋桨叶旋转过程中产生的作用扭矩，通过8个推进器的配合使用实现水下机器人在水中六个自由度的游动。
4.根据权利要求3所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述水下机器人采用非接触式吸附模式进行爬壁作业；
爬壁作业中利用推进器外加吸盘外壳构成伯努利吸盘以实现吸附功能：
根据水下伯努利吸盘的吸附特性，在近壁面处，当吸盘底部与壁面形成设定距离内的间隙时当作非接触式吸盘使用；
爬壁作业中采用万向被动轮配合推进器驱动的方式实现壁面移动；
在航行器顶部两侧各安装2个万向被动轮，在爬壁作业中，通过万向被动轮提供的间隙，使得四个伯努利吸盘能够提供稳定的吸附力，通过调节水平安装的4个推进器的输出力，使得航行器能够在壁面上完成三自由度的运动。
5.根据权利要求1所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，水下机器人动力学模型表示为公式(1)-(2)：
其中，MR表示惯性矩阵，vR表示水下机器人在机体坐标系下的线速度，表示水下机器人在机体坐标系下的线加速度，DR(vR)表示粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，gR(η)表示由重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，τR表示由推进器产生的推力，η表示在大地坐标系下机器人的位姿，/>表示在大地坐标系下机器人的速度，J(η)表示大地坐标系和机体坐标系转换矩阵；
其中，W表示水下机器人受到的重力，B表示水下机器人受到的浮力，表示水下机器人在大地坐标系下的横摇角度，zb是水下机器人在机体坐标系中z轴坐标；
τR＝[(T1-T2-T3+T4)sinα T5+T6+T7+T8 c1(-T5+T6-T7+T8)]T (4)
其中，Tn，n＝1,2,...,8，表示水下机器人运动时各个推进器的作用力，α表示水平推进分布的角度，c1表示推进器到机器人中心位置的力臂值。
6.根据权利要求5所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，将水下机器人动力学模型转化到大地坐标系，得到大地坐标系下的横垂面控制模型为：
其中，*表示为大地坐标系的各种参量，即表示大地坐标系下的惯性矩阵，/>表示大地坐标系下的粘性水动力对机体产生的阻尼力矩阵，/>表示大地坐标系下重力和浮力所组成的回复力及力矩矩阵，/>表示大地坐标系下推进器产生的推力；
在大地坐标系下，假定仅对水下机器人横摇角进行控制，且此时刻沿y轴和z轴的速度和加速度/>均为0，即/>在z轴方向上存在恒定的外力作用，根据式(7)知为了保证模式切换时机体稳定，需要在水下机器人侧翻时使用垂直和水平推进器同时进行补偿，且随角度增大垂直推进器作用减小，水平推进器作用增强。
7.根据权利要求1所述的一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法，其特征在于，所述推进器的模型为：
其中，p是标准化的PWM控制值，GT200(p)是推进器输出的力。
8.一种变结构水下机器人游走模式运动控制系统，所述变结构水下机器人同时具备游动作业和爬壁作业两种工作模式，其特征在于，所述变结构水下机器人游走模式运动控制系统，包括：模糊控制器、生物启发反步滑模级联控制器和位姿传感器；
所述位姿传感器采集水下机器人位姿信息，并得到翻转角与作业壁面平行角的偏差；
所述模糊控制器、生物启发反步滑模级联控制器基于横垂面控制模型，对水下机器人进行游走作业和爬行作业模式切换：
模糊控制器在翻转角与作业壁面平行角的偏差大于等于阈值时，对水下机器人推进器进行转速控制；
所述模糊控制器以当前翻转角与作业壁面平行角的偏差，即横摇角的偏差E以及偏差变化量EC作为输入量，推进器转速y为输出量，其模糊控制策略为：
(1)将横摇角的偏差E及偏差变化量EC划分为模糊子集；
将推进器转速Y划分为模糊子集；
选取E,EC和Y的论域；
输入量与输出量均采用三角形隶属度函数；
(2)基于(1)得到相应的模糊控制规则，采用MAX-MIN的合成运算法则，计算模糊控制规则蕴含的模糊关系R；
(3)通过遍历E和EC所有的论域对模糊值进行选取，并计算模糊输出值：
采用重心法进行解模糊：
式中：F0为模糊控制器输出量解模糊后的精确值，Fi为模糊控制量论域内的值，μc(Fi)为Fi的隶属度值；
生物启发反步滑模级联控制器在翻转角与作业壁面平行角的偏差小于阈值时，对水下机器人进行位姿控制；
所述生物启发反步滑模级联控制器的控制策略为：
设定是期望的位姿，ηR为实际的位姿，水下机器人位姿的误差ec为：
相应的滑模面与控制律设计过程为：
滑模面设计如下：
其中，s是误差滑模面，表示水下机器人误差的导数，Λ表示一个正常数；
对等式(12)求导，得到：
其中，表示误差滑模面的导数，/>表示水下机器人误差的二阶导数,/>表示在大地坐标系下机器人的期望速度，/>表示在大地坐标系下机器人的实际的速度；
当水下机器人系统运行于滑模面的时候，等式(13)等于零，即：
将大地坐标系下的横垂面控制模型代入等式(14)，得到：
将水下机器人的动力学方程等效为估计动力学项与未知动力学项/>即：
其中：是/>的估计项，/>是/>的未知项，/>是未知的扰动量；
因此等价控制律推导为：
其中，kc是正常值系数；
传统的滑模控制设计为
其中，k是控制器正常值系数；
为了消除由不连续切换项带来的抖振问题，构造自适应控制项加入到控制律中去取代切换项ksgn(s)：
其中，是用来估计未知量/>的自适应变化项，K自适应控制器的正常值系数，未知的不确定量/>满足以下更新率：
其中，Γ自适应控制器的正常值系数；
则完整的控制律表述为：
水下机器人推进器在达到与壁面近似平行的期望角度时，对机身深度方向施加推力，直至航行器吸附与壁面，实现爬壁动作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310852073.2A CN116736721B (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310852073.2A CN116736721B (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116736721A CN116736721A (zh) | 2023-09-12 |
| CN116736721B true CN116736721B (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=87916968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310852073.2A Active CN116736721B (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116736721B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117850249B (zh) * | 2024-03-08 | 2024-05-14 | 山东科技大学 | 一种auv自适应模糊控制方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111650832A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-11 | 哈尔滨工程大学 | 一种水下多足步行机器人机械足姿态跟踪控制方法 |
| US10935986B1 (en) * | 2019-11-28 | 2021-03-02 | Institute Of Automation, Chinese Academy Of Sciences | Gliding depth control method, system and device for biomimetic gliding robotic dolphin |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230102048A1 (en) * | 2019-11-05 | 2023-03-30 | Strong Force Vcn Portfolio 2019, Llc | Component-Inventory-Based Robot Fleet Management in Value Chain Networks |
| CA3145712A1 (en) * | 2021-01-13 | 2022-07-13 | Hydropool Inc. | Swim in place pool/spa |
-
2023
- 2023-07-12 CN CN202310852073.2A patent/CN116736721B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10935986B1 (en) * | 2019-11-28 | 2021-03-02 | Institute Of Automation, Chinese Academy Of Sciences | Gliding depth control method, system and device for biomimetic gliding robotic dolphin |
| CN111650832A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-11 | 哈尔滨工程大学 | 一种水下多足步行机器人机械足姿态跟踪控制方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 《Adaptive Path Following of Underactuated Snake Robot on Unknown and Varied Frictions Ground: Theory and Validations》;Gang Wang 等;《IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS》;20181231;第1-8页 * |
| 《Distributed leader-following formation control for multiple nonholonomic mobile robots via bioinspired neurodynamic approach》;Sathishkumar Moorthy 等;《Neurocomputing》;20220407;第1-14页 * |
| 《基于四元数的全驱动碟形AUV 单矢量反馈控制》;许一航 等;《智能科学与技术学报》;20221231;第1-9页 * |
| 《基于生物启发反步级联控制 方法的多AUV 主从式编队》.《淮阴师范学院学报( 自然科学版)》.2018,第1-5页. * |
| 《开架水下机器人生物启发离散轨迹跟踪控制》;孙兵 等;《控制理论与应用》;20130430;第1-9页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116736721A (zh) | 2023-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | A paradigm for path following control of a ribbon-fin propelled biomimetic underwater vehicle | |
| CN107957727B (zh) | 水下机器人控制系统及动力定位方法 | |
| WO2021103391A1 (zh) | 仿生滑翔机器海豚的滑翔深度控制方法、系统、装置 | |
| CN112147899B (zh) | 一种基于模糊滑模算法的水下机器人自主避障控制方法 | |
| Suebsaiprom et al. | Maneuverability modeling and trajectory tracking for fish robot | |
| CN116736721B (zh) | 一种变结构水下机器人游走模式运动控制方法和系统 | |
| CN110083061B (zh) | 一种轮式移动机器人控制方法 | |
| Wang et al. | AUV near-wall-following control based on adaptive disturbance observer | |
| Zhang et al. | Reaction-wheel-based roll stabilization for a robotic fish using neural network sliding mode control | |
| CN112327634B (zh) | 基于bp神经网络s面控制的水下机器人姿态控制方法 | |
| CN109189083B (zh) | 一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法 | |
| CN111522351A (zh) | 水下机器人三维编队及避障方法 | |
| Li et al. | Nonlinear heading control of an autonomous underwater vehicle with internal actuators | |
| Zhou et al. | Dynamic modeling and motion control of a novel conceptual multimodal underwater vehicle for autonomous sampling | |
| Lv et al. | A collision-free planning and control framework for a biomimetic underwater vehicle in dynamic environments | |
| CN112327892B (zh) | 一种auv误差受限的抗扰控制方法 | |
| Wang et al. | Adaptive nonlinear model predictive control for autonomous surface vessels with largely varying payload | |
| Moore | Closed-Loop Control of a Delta-Wing Unmanned Aerial-Aquatic Vehicle | |
| CN111829528A (zh) | 仿生滑翔机器海豚的实时路径规划方法及系统 | |
| CN113419545B (zh) | 一种具有滑移管制的水下机器人优化控制方法 | |
| Pan et al. | Path-following control of an amphibious robotic fish using fuzzy-linear model predictive control approach | |
| Liu et al. | Line-of-sight based three-dimensional path following control for an underactuated robotic dolphin | |
| CN115014355A (zh) | 一种双体无人船的定点返航调控方法及装置 | |
| Han et al. | Orientation Control and Target Tracking for Bionic Robotic Fish Based on ADRC | |
| CN113885508B (zh) | 水下机器人崎岖面攀爬的稳定空间生成和稳定性增强方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |