CN117234092B - 水下潜航机器人及其控制方法与控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下潜航机器人及其控制方法与控制装置，所述方法包括：计算机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；将第一差值和第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；将输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将高阶观测器的输出和径向基函数神经网络的输出作为终端滑模控制律的输入，得到终端滑模控制律输出的虚拟力；根据虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个推进器的推力；根据推力控制水下潜航机器人的推进器进行工作。本发明能够提高水下潜航机器人对于水下扰流的抗干扰能力。

Description

水下潜航机器人及其控制方法与控制装置

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种水下潜航机器人及其控制方法与控制装置。

背景技术

目前社会对涉水基建、海洋资源开发设施等各类水下工程建设产生了巨大需求，跨江跨海桥梁、海洋牧场、海上风电、海上钻井平台等水下工程的兴建不可或缺。这些重要工程设施在使用过程中必须进行定期的维护检修，确保交通运输、资源开发等重大项目的正常运行的同时，避免产生重大人员伤亡及严重经济损失。例如，作为水下工程结构的主要承重构件，水下桩基直接承担水下工程上部结构传递的荷载，因此，其健康状况至关重要。高效准确的水下桩基检测技术可以提供关键的工程信息，用于判断水下工程的安全性和可靠性，并指导维护和修复工作。然而，由于水下环境的特殊性和极端条件，如高压和湍流冲击等，大大增加了工程检测的复杂性和风险。复杂的流动环境，如水流流速高等，容易对检测结果造成干扰和误判。

传统的水下工程检测方法需要派遣潜水人员下潜进行检测，这种方式面临着多个困难。首先，水下工作存在许多未知的风险，对潜水员的生命安全构成直接威胁。其次，潜水员的工作时间有限，无法满足长时间水下工作的需求，且可下潜深度受到生理限制。此外，肉眼检测方式很难发现水下工程的缺陷。这些缺陷综合导致无法及时且准确地获取水下桩基的健康状况，难以提前处理相关风险。因此，近年来出现了通过水下机器人来检测水下工程的方式。

尽管水下机器人技术的快速发展为水下工程检测提供了较为可靠的工程设备，但是目前常见的水下检测机器人的水下移动控制方式主要为通过设定速度在水下进行移动，对于水下扰流的抗干扰能力较差，存在机动性差、稳定性不足等问题。因此，亟需可解决上述问题的一种水下机器人。

发明内容

本发明实施例提供一种水下潜航机器人及其控制方法与控制装置，能够提高水下潜航机器人对于水下扰流的抗干扰能力。

本发明一实施例提供一种水下潜航机器人，包括：

机身；

检测装置，设于所述机身上，并用于对水下目标进行检测；

推进器组件，设于所述机身上，并用于在水下驱动所述水下潜航机器人；

感知装置，设于所述机身上，并用于感知所述机身的姿态和深度；及，

控制装置，设于所述机身上，与所述检测装置、所述感知装置和所述推进器组件三者连接，并用于：

计算所述机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；

将所述第一差值和所述第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；

将所述输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，得到所述终端滑模控制律输出的虚拟力；

根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力；

根据所述推力控制所述推进器的推进工作。

作为上述方案的改进，所述控制装置在用于所述根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力时，具体用于：

利用二阶滤波器对所述虚拟力进行过滤，将过滤后的所述虚拟力通过动力分配转化为所述推进器组件各个推进器的推力。

作为上述方案的改进，所述推进器组件包括四个推进器；四个所述推进器可上下左右转动地分别设于所述机身的两侧的两端，四个所述推进器与所述控制装置连接。

作为上述方案的改进，所述机身包括主体仓、两块合金骨架及两个流线型外壳；两块所述合金骨架可绕着所述主体仓的轴向转动地分别设于所述主体仓的两侧，两个所述流线型外壳一一对应地围住两块所述合金骨架并与两块所述合金骨架对应连接。

作为上述方案的改进，所述主体仓沿着长度方向包括依次连接设置的检测头盖、联接部、控制仓外壳、异型仓、控制仓盖、电池仓盖、电池仓外壳、舱盖过渡段及握把；

所述控制仓外壳的内部用于容纳设置所述控制装置；所述检测头盖的内部用于容纳设置所述检测装置，所述电池仓盖的内部用于容纳设置电池仓；

所述联接部的与所述控制仓外壳接触的部分及和所述检测头盖接触的部分，均沿着所述联接部的外周设置有环形槽，所述环形槽安装有O型密封圈，所述联接部的所述部分伸入所述检测头盖和所述异型仓的内部并且紧密贴合，所述联接部的伸入所述检测头盖和所述异型仓的部位设置有顶丝；

所述异型仓的与所述控制仓外壳接触的部分设有一安装有O型密封圈的环形挖槽，所述异型仓的外周侧内凹形成有多个用于安装水密接头的台面；所述感知装置设于所述异型仓内，并通过所述水密接头导出导线；

所述控制仓盖的中间内凹形成一容纳槽，以用于放置与所述电池仓盖连接的公座插头；所述电池仓盖的中间内凹形成一容纳槽，以用于安放与所述公座插头插接的母座插头；所述电池仓盖与所述电池仓外壳连接的部位之间设有O型密封圈，所述电池仓盖的内部放有电池平台，所述电池平台用于安放电池；

所述舱盖过渡段的一端与所述电池仓外壳的连接处设置O型密封圈和顶丝，所述舱盖过渡段的另一端设置有所述握把。

作为上述方案的改进，所述合金骨架包括沿着所述主体仓的长度方向依次设置的头部骨架、中部骨架和尾部骨架；所述主体仓的两侧各自的两端通过所述联接部各连接有所述头部骨架、所述中部骨架和所述尾部骨架，所述主体仓通过所述头部骨架、所述中部骨架和所述尾部骨架连接对应的所述流线型外壳；

所述主体仓的底部设置有拓展骨架，所述拓展骨架上预留孔位用于安装拓展模块。

作为上述方案的改进，所述水下潜航机器人还包括安装底板及至少两个自适应磁化模块；

所述安装底板用于与所述机身可拆卸连接，且所述安装底板的两侧连接有至少两个所述自适应磁化模块；

所述自适应磁化模块包括：升降板、小型液压杆件一、小型液压杆件二、磁化固定模块、承接板、大型液压杆件二、大型液压杆件一、自适应调节抱紧机构及底部连接骨架；

所述承接板的两边与所述承接板的中部各自形成的夹角均为钝角，所述承接板的两边的底侧各自通过至少一组所述小型液压杆件一及所述小型液压杆件二与所述磁化固定模块连接；所述小型液压杆件一与所述小型液压杆件二液压驱动连接；

所述承接板的两边的顶侧分别通过至少一组所述大型液压杆件二及所述大型液压杆件一与所述安装底板连接，所述大型液压杆件一与所述大型液压杆件二液压驱动连接。

作为上述方案的改进，所述水下潜航机器人还包括两对运动辅助模块；两对所述运动辅助模块设于所述机身的两侧；

所述运动辅助模块包括固定支架，电机及扰流板；所述固定支架设于所述机身的一侧上，所述扰流板可上下转动地设于所述固定支架上，且所述电机设于所述机身上并用于驱动所述扰流板上下运动。

作为上述方案的改进，所述检测装置包括水下视觉矩阵模块；所述水下视觉矩阵模块包括：矩阵套环及至少两组摄像头调节组件；所述矩阵套环用于可拆卸安装在所述机身上，至少两组所述摄像头调节组件均匀分布于所述矩阵套环的同一侧方；

所述摄像头调节组件包括：推杆电机、夹板、防水电机、防水摄像头、运动架及铰链运动架；所述铰链运动架的底端与所述矩阵套环铰接，所述铰链运动架的顶端设有所述防水电机，所述防水电机的转轴自由端设有所述防水摄像头；所述夹板的一端与所述铰链运动架的中间连接，所述夹板的另一端与所述运动架的一端连接，所述运动架的另一端与相邻的另一摄像头调节组件的所述夹板的一端连接，所述另一摄像头调节组件的所述夹板的另一端与该摄像头调节组件的铰链运动架的中间连接；所述推杆电机设于所述矩阵套环上，且所述推杆电机的推杆的自由端连接所述运动架的中间。

作为上述方案的改进，所述水下潜航机器人还包括变刚度柔性抱箍自稳模块；所述变刚度柔性抱箍自稳模块包括固定主架、一对液压式机械爪、变刚度包覆阵列，填隙包覆充气单元及碳纤维夹层；

所述固定主架用于与所述机身可拆卸连接；一对所述液压式机械爪可相对靠近或远离运动地分别设于所述固定主架的两侧上；一对所述液压式机械爪的内侧的自由端的两边上均设有所述变刚度包覆阵列，一对所述液压式机械爪的内侧的中间均设有所述填隙包覆充气单元，所述填隙包覆充气单元上覆盖有所述碳纤维夹层。

本发明另一实施例提供了一种水下潜航机器人的控制方法，其应用于如上述任一项所述的水下潜航机器人，包括：

计算所述机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；

将所述第一差值和所述第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；

将所述输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，得到所述终端滑模控制律输出的虚拟力；

根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力；

根据所述推力控制所述推进器的推进工作。

作为上述方案的改进，所述根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力，包括：

利用二阶滤波器对所述虚拟力进行过滤，将过滤后的所述虚拟力通过动力分配转化为所述推进器组件各个推进器的推力。

本发明另一实施例提供了一种水下潜航机器人的控制装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述发明实施例所述的水下潜航机器人的控制方法。

相比于现有技术，上述实施例中的一个实施例具有如下优点：

通过计算机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；将第一差值和第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；将输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将高阶观测器的输出和径向基函数神经网络的输出作为终端滑模控制律的补偿输入，这样能够针对当前的水下扰流来进行数据偏差补偿，从而终端滑模控制律最终能够输出更加准确的虚拟力；根据虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个推进器的推力；根据推力控制水下潜航机器人的推进器进行工作，这样就可以针对当前的水下扰流进行更加合理的运动控制。由此可见，本发明实施例能够提高水下潜航机器人对于水下扰流的抗干扰能力，这样能够实现在复杂环境下的自主机身稳定与紧急环境下的自主脱困操作，有效实现自主强抗扰功能，提升设备运行的安全性与稳定性，降低设备事故的发生概率，且基于该控制策略实现水下无人机的智能化运作，大幅提高水下工程检测效率，有效提高水下工程检测工作的安全性，消除了潜水员直接参与作业的需求，极大程度降低了工作人员在水下环境作业时面临的风险。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的一视角方向的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的另一视角方向结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的机身的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的机身的剖面图；

图5是本发明一实施例提供的电子元件固定在机身的骨架上的示意图；

图6是本发明一实施例提供的机身的可调电池固定骨架的结构示意图；

图7是本发明一实施例提供的机身的低流阻检测头盖的结构示意图；

图8是本发明一实施例提供的机身的异型舱的结构示意图；

图9是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的运动辅助模块的结构示意图；

图10是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的运动辅助模块的安装示意图；

图11是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的自适应磁化模块的结构示意图；

图12是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的自适应磁化模块的细节示意图；

图13是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的自适应磁化模块的安装示意图；

图14是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的自适应磁化模块的运行流程示意图；

图15是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的水下视觉模块的结构示意图；

图16是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的水下视觉模块的安装示意图；

图17是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的水下视觉模块的运行流程示意图；

图18是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的水下视觉模块的处理算法流程图；

图19是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的变刚度柔性抱箍自稳模块的结构示意图；

图20是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的变刚度柔性抱箍自稳模块的细节示意图；

图21是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的变刚度柔性抱箍自稳模块的工作示意图；

图22是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的变刚度柔性抱箍自稳模块的运行逻辑示意图；

图23是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的自抗扰智能控制策略原理图；

图24是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的控制系统的结构示意图；

图25是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的控制方法的流程示意图；

图26是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的控制装置的结构示意图。

附图标注说明：

机身1；检测装置2；推进器组件7；感知装置8；控制装置9；

主体仓10；检测头盖101；联接部102；控制仓外壳103；异型仓104；控制仓盖105；电池仓盖106；电池仓外壳107；舱盖过渡段108；握把109；

合金骨架20；头部骨架201；中部骨架202；尾部骨架203；

流线型外壳206；

运动辅助模块3；固定支架301；电机302；扰流板303；

自适应磁化模块4；升降板401；小型液压杆件一402；小型液压杆件二403；磁化固定模块404；承接板405；大型液压杆件二406；大型液压杆件一407；自适应调节抱紧机构408；底部连接骨架409；安装底板410；

水下视觉矩阵模块5；推杆电机501；夹板502；矩阵套环503；防水电机504；防水摄像头505；运动架506；铰链运动架507；

变刚度柔性抱箍自稳模块6；固定主架601；液压式机械爪60；变刚度包覆阵列607；填隙包覆单元608；碳纤维夹层609。

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作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。

在说明书和权利要求书的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例，而不是指示或暗示所指的装置或部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实施例的限制。

此外，在说明书和权利要求书中的术语第一、第二等仅用于区别相同技术特征的描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，也不一定描述次序或时间顺序。在合适的情况下术语是可以互换的。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

参见图1-24，本发明一实施例提供一种水下潜航机器人，包括：机身1、检测装置2、推进器组件7、感知装置8及控制装置9；所述检测装置2，设于所述机身1上，并用于对水下目标进行检测；所述推进器组件7，设于所述机身1上，并用于在水下驱动所述水下潜航机器人；所述感知装置8，设于所述机身1上，并用于感知所述机身1的姿态和深度；所述控制装置9，设于所述机身1上，与所述检测装置、所述感知装置和所述推进器组件7三者连接，并用于执行自抗扰智能控制策略，所述自抗扰智能控制策略包括以下内容：

计算所述机身1当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；

将所述第一差值和所述第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；

将所述输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，得到所述终端滑模控制律输出的虚拟力；

根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力；

根据所述推力控制所述推进器的推进工作。

作为举例的，所述感知装置8包括深度传感器和姿态检测传感器等，感知装置8检测到相关的实际姿态数据和实际深度数据后会传输给所述控制装置9。

具体的，通过将姿态偏差和深度偏差输入设定的终端滑模面中，然后再通过将终端滑模面分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入；其中，由于终端滑模控制律的输出容易产生抖振，因此，通过高阶观测器来更准确观测抖振状态和估计偏差，这样可用于抑制终端滑模控制律的输出的抖振；而径向基函数神经网络是一种高效的前馈式神经网络，能够进行非线性函数逼近并实现系统的实时优化，因此引入径向基函数神经网络可以提高滑膜控制系统的稳定性和抗干扰能力。所以，通过将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，最终能够让所述终端滑模控制律输出的虚拟力更加合理，从而最终提高了水下潜航机器人的抗扰流能力。

本发明实施例通过计算机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；将第一差值和第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；将输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将高阶观测器的输出和径向基函数神经网络的输出作为终端滑模控制律的补偿输入，这样能够针对当前的水下扰流来进行数据偏差补偿，从而终端滑模控制律最终能够输出更加准确的虚拟力；根据虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个推进器的推力；根据推力控制水下潜航机器人的推进器进行工作，这样就可以针对当前的水下扰流进行更加合理的运动控制。由此可见，本发明实施例能够提高水下潜航机器人对于水下扰流的抗干扰能力，这样能够实现在复杂环境下的自主机身稳定与紧急环境下的自主脱困操作，有效实现自主强抗扰功能，提升设备运行的安全性与稳定性，降低设备事故的发生概率，且基于该控制策略实现水下无人机的智能化运作，大幅提高水下工程检测效率，有效提高水下工程检测工作的安全性，消除了潜水员直接参与作业的需求，极大程度降低了工作人员在水下环境作业时面临的风险。

作为上述方案的改进，所述控制装置9在用于所述根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力时，具体用于：

利用二阶滤波器对所述虚拟力进行过滤，将过滤后的所述虚拟力通过动力分配转化为所述推进器组件各个推进器的推力。

具体的，参见图23，自抗扰智能控制策略的具体实现过程如下：

动力学建模：

首先，建立水下潜航机器人的两个基本坐标系，即固定坐标系（定系）与运动坐标系/>（动系）。

有的形式为雅可比矩阵，其表达形式为：

动系与定系之间的线速度坐标变换矩阵：

角速度由动系到定系的转换矩阵：

基于已有建模经验，进行以下假设：

（1）水下潜航机器人可以看作是具有恒定质量的刚体，忽略水中密度、压强等条件变化；

（2）水下潜航机器人作业时，机身里硬件保持固定，即水下潜航机器人的重心和浮心位置不变；

（3）忽略浮力脐带缆带来的拖曳力与力矩干扰；

（4）水下潜航机器人作业时全程处于水中，为沾湿状态；

（5）俯仰角被限制为/>以防止/>的奇点。/>是已知常量。/>是可逆有界的。存在一个已知常数/>，使得/>。

基于上述假设，建立水下潜航机器人六自由度非线性动力学方程如下：

其中：惯性矩阵；/>：科里奥利矩阵与向心矩阵；：阻尼矩阵；/>：恢复力和力矩矩阵；/>：推进力和力矩；：模型不确定性干扰。

双环控制策略：

设分别是二阶系统的跟踪误差及一阶导数。

然后，我们定义速度跟踪误差滑模面为：

我们结合了(4)设计了作为参考速度的速度控制命令：

其中和都是已经预先设计的常数正定矩阵，满足/>。结合(5)和(6)，设计了一种外环PID滑模面：

(7)

基于(7)，设计一种内环终端滑模面：

(8)

的微分是：

(9)

对(7)进行微分并且代入(5)可得

(10)

把(10)代入(8)可得：

(11)

对求导：

，(12)

让作为集总的未知函数，和/>。然后，上式可以简化为：

. (13)

高斯径向基函数神经网络RBF具有函数逼近能力，可以应用于具有不确定性的复杂非线性系统的控制。本发明设计了六个相同的高斯径向基函数神经网RBF；要近似的未知函数的理想值可以描述为：

， (14)

其中，， />是一个神经网络输入向量，是一个理想权重向量，，/>是隐藏节点数)，是一个带有基函数，/>是一个有界近似的向量。因此，可以得到/>和/>。给出了本发明所考虑的高斯径向基函数(RBF)。

(15)

和/>分别表示高斯函数的中心和宽度

估计权重的向量表示为

， (16)

其中表示估计权重的误差向量。

设为未知函数为RBF的输出，则可以表示为

(17)

提出的双环神经网络滑模控制器的设计如下：

(18)

其中的常数对角矩阵，把(18)代入(13)得

(19)

其中。

选择一个Lyapunov函数

， (20)

其中

(21)

(22)

. (23)

证明：我们对(20)进行微分

， (24)

由于为常数，/>，所以(24)可得

(25)

现在，更新律可以被替为：

， (26)

其中是很小的常数用来表示修正项，有助于提高被控制系统的鲁棒性。

将更新定律(26)替换到(25)里，我们可以得到：

， (27)

其中

， (28)

结合引理2，(28)可得：

(29)

结合(28)和(29)，我们可以得到：

， (30)

通过(30)，我们可得：

. (31)

我们对(22)进行微分：

， (32)

把(13)和(17)代入(32)可得：

. (33)

其中

从(33)，终端滑模面误差可以得到如下：

， (34)

因(33)， (34)可变为不等式：

(35)

因为终端滑模面的微分项对应的就是水下潜航机器人的动力学方程(4)， (4)又分为标准项和不确定性项，由于水下潜航机器人具有高非线性，高耦合度和强干扰的情况，所以标准项的动力学方程不准确，而终端滑模面又需要较高的模型准确性，所以需要设计一个高阶观测器来补偿不确定性项，因(8)，我们可以得到：

. (36)

其中

。

因(36)中的/>为未知项，设计高阶观测器/>，所采用的高阶观测器由

/>

(37)

其中分别为/>的估计值，还有。我们给出，结合(37)，我们可以得到：

(38)

结合(37)和(38)可得推导出：

(39)

其中

(40)

然后，选择一个正定函数(23)：

(41)

对进行微分，调用(39) ：

(42)

(42)并应用引理2的结果得到：

(43)

其中。/>为/>的二次方。

现在我们对进行微分可得：

(44)

把 (43)代入到(44)我们可得：

(45)/>

对(20)进行微分，并调用(31)， (35)和(45)可得：

(46)

然后，我们引用引理1可以得到：

(47)

其中

(48)

(49)

用表示矩阵的最小特征值。我们可以让/>和来保证/>，很明显，/>是正常数。

证明完毕。

定理1： 对于所描述的水下潜航机器人系统，在控制律(18)和更新律(26)下，只要初始条件有界，滑模面误差及其导数半全局一致有界。

证明：对(47)乘以可得

(50)

对(50)进行积分得

(51)

分别把(21)， (22)和(23)代入(51)可得：

(52)

(53)

(54)

(55)/>

(56)

.(57)

证明完成。

基于引理1，内环终端滑模面会在有限时间内/>，所以我们可得：

(58)

使用(58)可以获得以下两种形式：

(59)

(60)

当成立时，(60)仍然保持在。因此，系统轨迹将持续收敛到s滑模面，直到它到达，所以控制误差/>将在有限时间内收敛到以下区域：

(61)

用相同的证明步骤可以证明(59)，可以得到了，/>为希腊语字符“柯西”，/>为一个常数，在式子中代表上界。然后，结合(61)和，我们可以得到：

(62)

(63)

因此，从上述分析，我们有速度跟踪误差在有限时间内收敛到零，总时间所花费的初始值为到零。

(64)

在后，从(7)得到：

(65)

由(65)可得，由(6)可得：/>

(66)

(66)只要满足，/>可以在有限的时间内收敛为零，因此，和(58)的速度跟踪误差一样，位置跟踪误差/>会在/>之后指数收敛到零。

可以理解的是：把(66)看成一个零输入的二阶滤波器系统，其固有频率和阻尼比可以分别表达为，/>。通过使用时域法来分析，首先已经假设了，滤波器系统是能呈指数收敛，在阻尼比/>越接近0.707的时候，二阶滤波器系统的收敛速度相对较快，而且超调量也相对较小，是二阶滤波器系统综合性能最好的状态。

综上所述，通过该自抗扰智能控制策略，实现了机器人在轨迹跟踪时，自主对水流扰动进行补偿，从而实现较为精准的路径跟踪和航行控制。

作为上述方案的改进，参见图1与图2，所述推进器组件7包括四个推进器；四个所述推进器可上下左右转动地分别设于所述机身1的两侧的两端，四个所述推进器与所述控制装置9连接。

作为上述方案的改进，参见图1-4，所述机身1包括主体仓10、两块合金骨架200及两个流线型外壳206；两块所述合金骨架200可绕着所述主体仓10的轴向转动地设于所述主体仓10上，两个所述流线型外壳206一一对应地围住两块所述合金骨架200并与两块所述合金骨架200对应连接。

具体的，所述主体仓10沿着长度方向包括依次连接设置的检测头盖101、联接部102、控制仓外壳103、异型仓104、控制仓盖105、电池仓盖106、电池仓外壳107、舱盖过渡段108及握把109；所述控制仓外壳103的内部用于设置所述控制装置9；所述检测头盖101的内部用于设置摄像头，所述电池仓盖106的内部用于容纳设置电池仓；所述联接部102的与控制仓外壳103接触的部分及和检测头盖101接触的部分均沿着所述联接部的外周设置有环形槽，所述环形槽安装有O型密封圈，所述联接部102的所述部分伸入检测头盖101和异型仓104的内部并且紧密贴合，所述联接部102的伸入所述检测头盖101和所述异型仓104的部位设置有顶丝；所述异型仓104的与所述控制仓外壳103接触的部分设有一安装有O型密封圈的环形挖槽，所述异型仓104的外周侧内凹形成有八个用于安装水密接头的台面，包括深度传感器和开关等的感知装置设于所述异型仓内，并通过所述水密接头导出导线；所述控制仓盖105的中间内凹形成一容纳槽，以用于放置与电池仓盖106连接的公座插头，所述电池仓盖106中间内凹形成一容纳槽以用于安放与所述公座插头插接的母座插头；所述电池仓盖106与电池仓外壳107连接的部位设有O型密封圈，所述电池仓盖106内部放有电池平台，所述电池平台用于安放电池；所述舱盖过渡段108的一端与所述电池仓外壳107的连接处设置O型密封圈和顶丝，所述舱盖过渡段108的另一端设置有所述握把109。

作为上述方案的改进，参见图3-4，所述合金骨架200包括沿着所述主体仓10的长度方向依次设置的头部骨架201、中部骨架202和尾部骨架203；所述主体仓10的两侧各自的两端通过所述联接部102各连接有头部骨架201、中部骨架202和尾部骨架203，所述主体仓10通过头部骨架201、中部骨架202和尾部骨架203连接所述流线型外壳206；所述主体仓10的底部设置有拓展骨架，所述拓展骨架上预留孔位用于安装拓展模块。

其中，为了便于理解，对水下潜航机器人的机身进行以下更具体说明：

参见图1-8，水下潜航机器人的机身由主体仓1、高强度轻质合金骨架200、流线型外壳206三个模块构成无人机主体，其中主体仓1模块包含检测头盖101、联接部102、控制仓外壳103、异型仓104、控制仓盖105、电池仓盖106、电池仓外壳107、舱盖过渡段108、握把109这9部分。检测头盖101内部设有镜片盖板117、O型圈122、摄像头安装板120、EVA泡沫119、钢化玻璃118、超清摄像头121。超清摄像头121安装在摄像头安装板120上，摄像头安装板120通过螺丝123固定在检测头盖101上，用于图像识别。

控制仓外壳103内部设置有电子元件放置板，电子元件放置板通过铜柱124固定在联接部102内壁上，其上可以安装放置各类控制元件、电子元件。电子元件放置板分为左挡板128、右挡板125、中间支撑板126，左右挡板通过铜柱124连接固定在联接部102上，中间支撑板126被左右挡板夹住，中间支撑板126两侧可以嵌入左右挡板的槽口127中实现固定。左右挡板采用中间中空的设计，方便导线的通过，只有与中间支撑板126嵌合的位置设置有槽口127。中间支撑板126内部设置有各类槽口和开孔，用于安装电子元器件。

联接部102与控制仓外壳103接触和检测头盖101接触部分设置有槽口129，用于安放O型圈，连接时联接部102一部分壁面伸入检测头盖101和异型仓104的内部，并且紧密贴合，实现水密安装，并且在伸进去重合的位置设置有顶丝111，实现两个仓体的固定，不出现滑脱，后面仓体安装也是采用这种方式进行。

与控制仓外壳103相连的是异型仓104，接触部分同样挖槽安放O型圈，异型仓104设有八个小台面，小台面132采用内凹的方式设计，用于安装水密接头113、深度传感器1140和开关115，通过水密接头113导出导线，实现防水和快捷拆装。水密接头113安装在水密座133上，进一步的，水密座133安装在异型仓104上的六个小台面132上。剩下一个台面131用于安装水密接头113和开关114，并且这个台面131比台面130深度更深。同理，水密接头113和开关114也通过水密座133安装在异型仓104上。

异型仓104与控制仓盖105也通过同样的方式水密连接，连接部位设置有水密O型圈134，控制仓盖105中间内凹，用于放置公座插头135，与电池仓盖106连接。电池仓盖106中间也设有同样的结构，用于安放母座插头136，安装时电池仓盖106中间突出部分可以嵌入控制仓盖105，控制仓盖105和电池仓盖106中间凹陷处分别用于放置公座插头135和母座插头136。电池仓盖106与电池仓外壳107连接，连接部位也设有O型圈137，电池仓内部放有电池平台138，电池平台138用于安放电池139，电池平台138通过铜柱144和电池仓盖106上的孔位145连接，电池平台138包括电池架146、导线EVA板147、电池平板支撑架148、电池弯折支撑架149、电池顶板150。电池架146通过铜柱144和电池仓盖106连接，电池架146中间开孔用于电池导线的通过，导线EVA板147放置在电池架146上，导向EVA板147用于导出电池线，电池弯折支撑架149和电池平板支撑架148放置在电池架146上，通过螺丝固定，用于限制电池径向方向上的移动，电池顶板150连接电池弯折支撑架149和电池平板支撑架148的顶部，防止电池沿轴向方向移动。

舱盖过渡段108连接电池仓外壳107，连接部位设置O型圈140和顶丝141，舱盖过渡段108连接握把143。

主体仓1通过头部骨架201和中部骨架202、尾部骨架203连接外壳，头部骨架201、中部骨架202和尾部骨架203在主体仓1侧边左右各有一个，呈对称分布，通过螺丝固定在主体仓上的联接部102上面。头部骨架201、中部骨架202，尾部骨架203连接流线型外壳206，头部骨架201联接主控舱与流线型外壳206，尾部骨架203联接电源舱与低流阻外壳204，外壳上纵向布置有四个无刷电机推进器207提供升降动力，横向呈矢量布置四个导管推进器208，其导线通过水密接头113进入异型仓104内，驱动机器实现快速移动、悬浮等功能。

机器人主体通过合金轻质把手204进行搬运工作，通过拓展骨架205上预留孔位安装现有拓展模块，例如DVL，单自由度水下机械臂、声呐、双目摄像头、激光测距仪，通过机身预留的水密接头113进行连接使用。

作为上述方案的改进，参见图11-14，所述水下潜航机器人还包括安装底板410及至少两个自适应磁化模块4；所述安装底板410用于与所述机身1可拆卸连接，且所述安装底板410的两侧连接有至少两个所述自适应磁化模块4；所述自适应磁化模块4包括：升降板401、小型液压杆件一402、小型液压杆件二403、磁化固定模块404、承接板405、大型液压杆件二406、大型液压杆件一407、自适应调节抱紧机构408及底部连接骨架409；所述承接板405的两边与所述承接板405的中部各自形成的夹角为钝角，所述承接板405的两边的底侧分别各自通过多组所述小型液压杆件一402及所述小型液压杆件二403与所述磁化固定模块404连接；所述小型液压杆件一402与所述小型液压杆件二403液压驱动连接，并可相对大型液压杆件二406直线运动；所述承接板405的两边的顶侧分别各自通过所述大型液压杆件二406及所述大型液压杆件一407与所述安装底板410连接，所述大型液压杆件一与所述大型液压杆件二液压驱动连接。

具体的，自适应磁化模块4主要用于固定吸附并稳定沿柱运动，同时能够有效对抗检测过程中所遇到的强洋流干扰。

水下潜航机器人机身底部与自适应可控磁化攀附模块通过螺丝与固定孔进行紧密连接，安装底板410贴于水下潜航机器人机身底部，有效充当支撑稳定的角色，自适应调节抱紧机构408采用倾斜式导流模式，实现在稳定连接的同时，有效减小设备运行过程中的水阻影响，减少了过多能源的损耗。在设备对水下工程表面裂缝病害进行识别检测时，当设备靠近水下工程时，水下潜航机器人能够针对性调节各个螺旋桨转速与转向，实现将设备运行至竖直状态。同时，在螺旋桨驱动下，设备以竖直状态渐渐靠近水下工程表面裂缝病害，此时安装于设备底部的自适应可控磁化攀附模块，安装于承接板405下端的磁化固定模块404在短电脉冲情况下实现对磁化固定模块404内部进行快速地反复磁化与消磁，产生巨大的磁力，由于水下工程支撑柱内部布满钢筋，磁化固定模块404能够快速且稳定附着于水下工程支撑柱表面，使整套设备稳定地贴合固定于水下工程支撑柱表面。当设备附着于水下工程支撑柱表面时，设备上水平方向的螺旋桨会加大转速，此时设备会自主检测自适应可控磁化攀附模块的吸附情况，进行稳定性预警测试，当达到额定检测转速时，设备仍能够稳定吸附于水下工程支撑柱表面时，螺旋桨转速将恢复正常值，进行下一步沿柱面运动与病害检测。同时在附着的过程中，设备会根据水下工程支撑柱半径情况，实时调整底部连接骨架409的开合情况，当水下工程支撑柱较粗时，底部连接骨架409会向上翻动，将中间的固定空间进行扩大，有效扩大自适应可控磁化攀附模块的攀附半径，使磁化固定模块404更好贴合于水下工程支撑柱表面，有效提升磁吸攀附模块的高度自适应性，可针对性扩大模块的适用广度。同时，当磁化固定模块404固定至水下工程支撑柱表面时，位于中间的升降板会渐渐进行下降，是升降板401底部的磁化固定模块404贴附于水下工程支撑柱表面，位于升降板上方的大型液压杆件一407与大型液压杆件二406会进行实时调整，使磁化固定模块404能够较为顺利地贴附于水下工程支撑柱表面，在设备完成水下工程支撑柱表面稳定附着之后，位于机器人表面的多个螺旋桨稳定地为自适应可控磁化攀附模块提供前进且后退的动力，使设备在柱面上稳定运行，实现在柱面上稳定搜寻裂缝病害的功能。位于升降板401上方的大型液压杆件一407与大型液压杆件二406会进行实时调整，通过液压杆件的缓冲调节，主要承担设备自适应可控磁化攀附模块的稳定性能与减少对水下工程支撑柱面压力的角色，有效分摊横向水压以及自身重量对水下工程支撑柱表面的压力，避免对支撑柱面造成其他的损害与影响。同时，位于承接板405下端的小型液压杆件一402与小型液压杆件二403会在磁化固定模块404进行固定的时刻进行适时调整，设备在固定过程中受到水流冲击时，该小型液压杆件模块有利于进行实时调整与缓冲，有效减少水流冲击力对于整体设备的影响与破坏，也有利于建立较为稳定的检测环境，使设备能够稳定在裂缝病害位置处进行病害检测。当设备需要进行微角度转向调整时，磁化固定模块404会将磁力进行减小，使模块与水下工程支撑柱表面中间产生较小的间隔空隙，设备的螺旋桨会进行适时调整，实现对主机的转弯调整，当设备调整完毕后，磁化固定模块404会增强短电脉冲强度，大幅增加最大磁力，使设备能够重新快速吸附于水下工程支撑柱表面完成运行过程中任意微角度的转弯调整，实现病害检测位点的精准化与针对性，有效提升水下工程病害检测的精准度与可靠性。

如图13所示，自适应可控磁化攀附模块运行流程图，自适应可控磁化攀附模块的运行流程分为宏观角度调整模块、液压夹持模块、短电脉冲触发，在自适应可控磁化攀附模块运行时，宏观角度调整模块进行设备较大角度的位置调整，此时，液压夹持模块同步进行多级调整，在大小型液压杆件调整模块多级反应下，有效实现吸附固定角度，同时能够快速自适应调整，其中，底部在短电脉冲触发作用下，下端磁化固定模块通过快速反复磁化与消磁，有效达到了磁力紧密吸附固定的效果，最终实现了自适应快速稳定吸附固定。识别模块进行工作时，磁化固定模块处于工作状态，使设备牢牢固定于水下工程支撑柱表面，使设备能够固定在一个较为稳定的检测环境下，此时，超清摄像头121识别机器下方水下工程的病害，并可快速回传图像，当检测完成后，设备会快速反应搜寻下一个病害位点。

作为上述方案的改进，参见图9-10，所述水下潜航机器人还包括两对运动辅助模块3；两对所述运动辅助模块3设于所述机身1的两侧；所述运动辅助模块3包括固定支架301，电机302及扰流板303；所述固定支架301设于所述机身1的一侧上，所述扰流板303可上下转动地设于所述固定支架301上，且所述电机302设于所述机身1上并用于驱动所述扰流板303上下运动。

具体的，当设备（即水下潜航机器人）在水下运行时，运动辅助模块时刻保持待机状态，当设备运行时需要快速制动时，在推进器减速反推的同时，安装于固定支架301上的电机302同步运行，位于机体周围的扰流板303在电机302的驱动下，沿机体向外展开，扩大阻水面积，增大设备运行阻力，使设备运行速度迅速下降，实现快速机动避险功能；当设备需要进行快速转弯时，在调整推进器运转速度的同时，当其向右急转时，侧方的扰流板303快速启动，在扰流板303的作用下，右侧流速瞬间增加，压强快速降低，在压强差的驱动下，设备机身也会快速向右转侧，实现在扰流板303与推进器协同作用下，设备能够快速转向避险。左侧急转同理，实现水下潜航机器人的高机敏运动。

作为上述方案的改进，参见图15-18，所述检测装置2包括水下视觉矩阵模块5；所述水下视觉矩阵模块5包括：矩阵套环503及至少两组摄像头调节组件；所述矩阵套环503用于可拆卸安装在所述机身1上，至少两组所述摄像头调节组件均匀分布于所述矩阵套环503的同一侧方；所述摄像头调节组件包括：推杆电机501、夹板502、防水电机504、防水摄像头505、运动架506及铰链运动架507；所述铰链运动架507的底端与所述矩阵套环503铰接，所述铰链运动架507的顶端设有所述防水电机504，所述防水电机504的转轴自由端设有所述防水摄像头505；所述夹板502的一端与所述铰链运动架507的中间连接，所述夹板502的另一端与所述运动架506的一端连接，所述运动架506的另一端与相邻的另一摄像头调节组件的所述夹板502的一端连接，所述另一摄像头调节组件的所述夹板502的另一端与该摄像头调节组件的铰链运动架507的中间连接；所述推杆电机501设于所述矩阵套环503上，且所述推杆电机501的推杆的自由端连接所述运动架506的中间。

具体的，水下视觉矩阵模块5用于获取高质量数据集及更大视野域。

在设备对水下工程表面裂缝病害进行识别检测时，当设备靠近水下工程时，会根据设备与检测目标之间的距离，位于上下两端的推杆电机501启动，推动运动架506向前运动，在运动架506向前运动的同时，与运动架506之间通过夹板502相互连接的铰链运动架507也随之向前运动，逐步靠近待检测目标对象，当铰链运动架507运动到靠近检测目标时，位于铰链运动架507末端的防水电机504启动，结合防水摄像头505与待检测目标之间的距离关系与角度关系，防水电机504转动，带动防水摄像头505同步转动，实现防水摄像头505视野全方位围绕检测目标进行检测，提升了检测的覆盖面与精准度，同时也有效扩大了检测视野与检测速度，大大提升了工作效率与检测精度。

如图16、图17所示，基于仿生复眼水下矩阵模块及其算法运行流程图，基于仿生复眼水下矩阵模块在获取位置距离识别感知后，获取了相关的位置与距离信息，作为位姿调整模块的运行条件，该模块驱动推杆电机调整模块与小型防水电机角度调整模块对设备位姿进行精准调整与变化，实现对最佳病害建模位置的快速自适应调整切换，在调整的过程中，位于前端的图像获取识别模块，融合视觉增强算法与特征融合方式，构建病害精准识别系统，实现对水下工程病害的快速精准识别与辨别。同时，根据所需用途能够对设备进行多模块拓展切换，包括水下勘探与水体检测等探测模块，最终有效实现对水下工程病害进行全方位全覆盖高精度目标识别检测。特征融合模块负责将采集的全方位目标图像拼接成一张具有更全面、更明显的特征的目标图像，该模块包含预处理、特征提取、特征匹配、图像对齐和图像融合五个操作。水下拍摄的图像会存在散射和颜色失真等现象，对此，在进行特征融合前需要进行预处理操作：包括颜色校正和去除散射。在颜色校正方面，利用直方图均衡化的方法改善图像的颜色准确性，使得原本灰暗的图像特征更加明显。在去除散射方面，考虑到图像中包含的散射噪声和背景噪声，采用小波去噪的方法来减小水下环境中散射的影响。特征提取操作旨在对每张图像进行特征提取，在这里，使用SIFT算法提取出具有尺度不变性和旋转不变性的关键点，并生成对应的描述子。在获得特征的描述子后，进行图像的特征匹配，使用基于描述子的最小二乘算法来找到这些特征之间的对应关系，从而确定特征间的相对位置和姿态。在确定特征间的相对信息之后进行图像对齐，根据匹配的结果，采用仿射变换模型进行图像的对齐。最后是将对齐的特征进行图像融合，在对齐图像特征之后，采用加权平均的像素级融合方法进行图像融合，然后使用均值平滑的方法减小拼接处的明显过度边缘，进一步提升图像的质量。

作为上述方案的改进，参见图19-22，所述水下潜航机器人还包括变刚度柔性抱箍自稳模块6；所述变刚度柔性抱箍自稳模块6包括固定主架601、一对液压式机械爪60、变刚度包覆阵列607，填隙包覆充气单元及碳纤维夹层609；所述固定主架601用于与所述机身1可拆卸连接；一对所述液压式机械爪60可相对靠近或远离运动地分别设于所述固定主架601的两侧上；一对所述液压式机械爪60的内侧的自由端的两边上均设有所述变刚度包覆阵列607，一对所述液压式机械爪60的内侧的中间均设有所述填隙包覆充气单元，所述填隙包覆充气单元上覆盖有所述碳纤维夹层609。

具体的，所述变刚度柔性抱箍自稳模块6用于桩基类病害的高效率检测及洋流干扰对抗。

变刚度柔性抱箍自稳模块6安装在主体仓1上的检测头盖101上，液压式机械爪60通过固定主架601连接固定在检测头盖101上，检测头盖101上设有夹紧凸台151，夹紧凸台151沿圆周向分布有四个，开有孔150，通过螺丝固定住固定主架601，固定主架601连接液压式机械爪60，液压式机械爪60包括有前液压部件603和后液压部件604、机械爪首段602、机械爪中段605、机械爪末段606，工作时前液压部件603先伸出，然后后液压部件604伸出，驱动抱箍自稳模块6的机械爪首段602、机械爪中段605、机械爪末段606闭合，当机械爪主体完成对象包裹后，位于中间部分的碳纤维夹层609会与目标对象表面进行接触，碳纤维夹层609起支撑作用，稳定后填隙包覆单元608在齿轮气泵的带动下，内部通过空气填充，在此过程中，填隙包覆单元608表面会与目标对象紧密接触，实现对目标对象表面进行柔性全覆盖贴合，增加贴附稳定性，当填隙包覆单元608完成一级贴附后，变刚度包覆阵列607进行二次柔性贴附操作，变刚度包覆阵列会进一步贴附于目标对象表面，并提高包覆接触面刚度，经过多级贴附作用下，大大提升设备抓取物体的稳定性。变刚度柔性抱箍自稳模块6一共有两组，分布在机器前端，可以无损夹起较大型的任意外型水下物体，完成取样操作。除无损取样功能外，在执行水下工程病害检测工作时，为防止洋流对机器人产生扰动，造成病害处的成像质量差，通过液压部件604驱动机械爪对水下桩基进行抱箍，利用填隙包覆单元608与变刚度包覆阵列607对桩基表面实现无损紧密抱箍，实现机身的稳定成像。

工作时，当变刚度柔性抱箍自稳模块6抱箍指定桩基后，由电池139供电，超清摄像头121识别机器前方图像，并可回传图像，由无刷电机推进器工作，实现机器垂直移动到病害位置，随后超清摄像头121进行检测作业，获得高质量桩基损伤数据集。

如图21所示，变刚度柔性抱箍自稳模块运行逻辑示意图，通过前端位置距离信息收集，为控制中心进行信息供给，液压式机械爪采用刚性高强度复合材料进行加工而成，有效抵抗水下恶劣作业环境，同时由液压杆系统对液压式机械爪的开合幅度与大小进行针对性调整，实现对目标对象的自适应调整，实现对目标对象主体部分的快速稳定抓取，在液压式机械爪运行时，填隙包覆单元同步运行，根据压力传感器反馈的数据，在齿轮抽气泵作用下，对单元内部进行空气填充，以实现对目标对象进行全角度柔性贴覆抓取，同时，变刚度包覆阵列针对剩余空隙进行针对性填充，使液压式机械爪内侧全面覆盖于目标对象表面，实现微角度间隙的贴合式包覆，最终实现全角度柔性包覆性抓取。

参见图23与25，是本发明一实施例提供的一种水下潜航机器人的控制方法的流程示意图。所述水下潜航机器人的控制方法由水下潜航机器人的控制装置9执行，所述应用于如上述任一实施例所述的水下潜航机器人，所述方法包括步骤S10至步骤S14：

S10，计算所述机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；

S11，将所述第一差值和所述第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；

S12，将所述输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，得到所述终端滑模控制律输出的虚拟力；

S13，根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力；

S14，根据所述推力控制所述推进器的推进工作。

在本发明实施例中，通过计算机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；将第一差值和第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；将输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将高阶观测器的输出和径向基函数神经网络的输出作为终端滑模控制律的补偿输入，这样能够针对当前的水下扰流来进行数据偏差补偿，从而终端滑模控制律最终能够输出更加准确的虚拟力；根据虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个推进器的推力；根据推力控制水下潜航机器人的推进器进行工作，这样就可以针对当前的水下扰流进行更加合理的运动控制。由此可见，本发明实施例能够提高水下潜航机器人对于水下扰流的抗干扰能力，这样能够实现在复杂环境下的自主机身稳定与紧急环境下的自主脱困操作，有效实现自主强抗扰功能，提升设备运行的安全性与稳定性，降低设备事故的发生概率，且基于该控制策略实现水下无人机的智能化运作，大幅提高水下工程检测效率，有效提高水下工程检测工作的安全性，消除了潜水员直接参与作业的需求，极大程度降低了工作人员在水下环境作业时面临的风险。

作为上述方案的改进，所述根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力，包括：

利用二阶滤波器对所述虚拟力进行过滤，将过滤后的所述虚拟力通过动力分配转化为所述推进器组件各个推进器的推力。

需要说明的是，上述的水下潜航机器人的控制方法实施例的相关方案内容可以对应参考上述的水下潜航机器人的控制装置9实施例的方案内容，在此不做赘述。

参见图26，是本发明一实施例提供的水下潜航机器人的控制装置9的示意图。该实施例的水下潜航机器人的控制装置9包括：处理器1000、存储器1001以及存储在所述存储器1001中并可在所述处理器1000上运行的计算机程序，例如水下潜航机器人的控制程序。所述处理器1000执行所述计算机程序时实现上述各个水下潜航机器人的控制方法实施例中的步骤。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述水下潜航机器人的控制装置9中的执行过程。

所述水下潜航机器人的控制装置9可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是水下潜航机器人的控制装置9的示例，并不构成对水下潜航机器人的控制装置9的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述水下潜航机器人的控制装置9还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述水下潜航机器人的控制装置9的控制中心，利用各种接口和线路连接整个水下潜航机器人的控制装置9的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述水下潜航机器人的控制装置9的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card， SMC），安全数字（Secure Digital， SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述水下潜航机器人的控制装置9集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种水下潜航机器人，其特征在于，包括：

机身；

检测装置，设于所述机身上，并用于对水下目标进行检测；

推进器组件，设于所述机身上，并用于在水下驱动所述水下潜航机器人；

感知装置，设于所述机身上，并用于感知所述机身的姿态和深度；及，

控制装置，设于所述机身上，与所述检测装置、所述感知装置和所述推进器组件三者连接，并用于：

计算所述机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；

将所述第一差值和所述第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；

将所述输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，得到所述终端滑模控制律输出的虚拟力；

根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力；

根据所述推力控制所述推进器的推进工作。

2.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述控制装置在用于所述根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力时，具体用于：

利用二阶滤波器对所述虚拟力进行过滤，将过滤后的所述虚拟力通过动力分配转化为所述推进器组件各个推进器的推力。

3.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述推进器组件包括四个推进器；四个所述推进器可上下左右转动地分别设于所述机身的两侧的两端，四个所述推进器与所述控制装置连接。

4.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述机身包括主体仓、两块合金骨架及两个流线型外壳；两块所述合金骨架可绕着所述主体仓的轴向转动地分别设于所述主体仓的两侧，两个所述流线型外壳一一对应地围住两块所述合金骨架并与两块所述合金骨架对应连接。

5.如权利要求4所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述主体仓沿着长度方向包括依次连接设置的检测头盖、联接部、控制仓外壳、异型仓、控制仓盖、电池仓盖、电池仓外壳、舱盖过渡段及握把；

所述控制仓外壳的内部用于容纳设置所述控制装置；所述检测头盖的内部用于容纳设置所述检测装置，所述电池仓盖的内部用于容纳设置电池仓；

所述联接部的与所述控制仓外壳接触的部分及和所述检测头盖接触的部分，均沿着所述联接部的外周设置有环形槽，所述环形槽安装有O型密封圈，所述联接部的所述部分伸入所述检测头盖和所述异型仓的内部并且紧密贴合，所述联接部的伸入所述检测头盖和所述异型仓的部位设置有顶丝；

所述异型仓的与所述控制仓外壳接触的部分设有一安装有O型密封圈的环形挖槽，所述异型仓的外周侧内凹形成有多个用于安装水密接头的台面；所述感知装置设于所述异型仓内，并通过所述水密接头导出导线；

所述控制仓盖的中间内凹形成一容纳槽，以用于放置与所述电池仓盖连接的公座插头；所述电池仓盖的中间内凹形成一容纳槽，以用于安放与所述公座插头插接的母座插头；所述电池仓盖与所述电池仓外壳连接的部位之间设有O型密封圈，所述电池仓盖的内部放有电池平台，所述电池平台用于安放电池；

所述舱盖过渡段的一端与所述电池仓外壳的连接处设置O型密封圈和顶丝，所述舱盖过渡段的另一端设置有所述握把。

6.如权利要求5所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述合金骨架包括沿着所述主体仓的长度方向依次设置的头部骨架、中部骨架和尾部骨架；所述主体仓的两侧各自的两端通过所述联接部各连接有所述头部骨架、所述中部骨架和所述尾部骨架，所述主体仓通过所述头部骨架、所述中部骨架和所述尾部骨架连接对应的所述流线型外壳；

所述主体仓的底部设置有拓展骨架，所述拓展骨架上预留孔位用于安装拓展模块。

7.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述水下潜航机器人还包括安装底板及至少两个自适应磁化模块；

所述安装底板用于与所述机身可拆卸连接，且所述安装底板的两侧连接有至少两个所述自适应磁化模块；

所述自适应磁化模块包括：升降板、小型液压杆件一、小型液压杆件二、磁化固定模块、承接板、大型液压杆件二、大型液压杆件一、自适应调节抱紧机构及底部连接骨架；

所述承接板的两边与所述承接板的中部各自形成的夹角均为钝角，所述承接板的两边的底侧各自通过至少一组所述小型液压杆件一及所述小型液压杆件二与所述磁化固定模块连接；所述小型液压杆件一与所述小型液压杆件二液压驱动连接；

所述承接板的两边的顶侧分别通过至少一组所述大型液压杆件二及所述大型液压杆件一与所述安装底板连接，所述大型液压杆件一与所述大型液压杆件二液压驱动连接。

8.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述水下潜航机器人还包括两对运动辅助模块；两对所述运动辅助模块设于所述机身的两侧；

所述运动辅助模块包括固定支架，电机及扰流板；所述固定支架设于所述机身的一侧上，所述扰流板可上下转动地设于所述固定支架上，且所述电机设于所述机身上并用于驱动所述扰流板上下运动。

9.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述检测装置包括水下视觉矩阵模块；所述水下视觉矩阵模块包括：矩阵套环及至少两组摄像头调节组件；所述矩阵套环用于可拆卸安装在所述机身上，至少两组所述摄像头调节组件均匀分布于所述矩阵套环的同一侧方；

所述摄像头调节组件包括：推杆电机、夹板、防水电机、防水摄像头、运动架及铰链运动架；所述铰链运动架的底端与所述矩阵套环铰接，所述铰链运动架的顶端设有所述防水电机，所述防水电机的转轴自由端设有所述防水摄像头；所述夹板的一端与所述铰链运动架的中间连接，所述夹板的另一端与所述运动架的一端连接，所述运动架的另一端与相邻的另一摄像头调节组件的所述夹板的一端连接，所述另一摄像头调节组件的所述夹板的另一端与该摄像头调节组件的铰链运动架的中间连接；所述推杆电机设于所述矩阵套环上，且所述推杆电机的推杆的自由端连接所述运动架的中间。

10.如权利要求1所述的水下潜航机器人，其特征在于，所述水下潜航机器人还包括变刚度柔性抱箍自稳模块；所述变刚度柔性抱箍自稳模块包括固定主架、一对液压式机械爪、变刚度包覆阵列，填隙包覆充气单元及碳纤维夹层；

所述固定主架用于与所述机身可拆卸连接；一对所述液压式机械爪可相对靠近或远离运动地分别设于所述固定主架的两侧上；一对所述液压式机械爪的内侧的自由端的两边上均设有所述变刚度包覆阵列，一对所述液压式机械爪的内侧的中间均设有所述填隙包覆充气单元，所述填隙包覆充气单元上覆盖有所述碳纤维夹层。

11.一种水下潜航机器人的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-10任一项所述的水下潜航机器人，包括：

计算所述机身当前的实际姿态与期望姿态的第一差值和实际深度与期望深度的第二差值；

将所述第一差值和所述第二差值输入设定的终端滑模面，得到终端滑模面的输出值；

将所述输出值分别作为预设的高阶观测器、径向基函数神经网络和终端滑模控制律的输入，并将所述高阶观测器的输出和所述径向基函数神经网络的输出作为所述终端滑模控制律的补偿输入，得到所述终端滑模控制律输出的虚拟力；

根据所述虚拟力，进行所述推进器组件各个推进器的动力分配，得到各个所述推进器的推力；

根据所述推力控制所述推进器的推进工作。

12.一种水下潜航机器人的控制装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求11所述的水下潜航机器人的控制方法。