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您当前的位置： 水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及水下机器人与流程
2021-02-09 02:02:34|
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本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人。
背景技术：
水下机器人是海洋资源开发，海洋监测以及海洋生态保护的重要装备之一。通过搭载不同类型的传感器和执行器，水下机器人能够有效地实现对海洋探索、开发、监测以及侦查等多项任务。
对于复杂海洋环境下的探索开发，尤其是当需要在船侧、大坝、桥墩等复杂工作面进行降落、攀爬或行走等作业任务时，就需要深入地研究开发同时具有大范围游动能力以及局部行走和攀爬能力的水下机器人，其可广泛应用于海洋资源开发和利用、海洋牧场建设、水下文化遗产保护、搜集和打捞、水库大坝的安全检查、船舶清洗和日常保养、水下安全等领域，可促进我国海洋经济的快速发展，维护社会稳定和国家安全，具有重要的经济和社会效益。
水下机器人通常受限于传感器探测范围或者作业工具作业范围的制约，当水下机器人着陆并贴合到工作面后，就需要合理设计水下机器人的覆盖控制算法，以实现对工作壁面的高效率的检测或作业。沿着预定规划路径循环式覆盖方法作为一种简单实用的覆盖控制算法广泛应用于实际工程中，其核心在于机器人调头侧移量的精确控制。基于此，面向左右履带和推进器混合驱动的水下机器人的调头侧移量控制是一个很有理论和实际意义的研究问题。
水下机器人依靠推进器的螺旋桨产生垂直于工作面的推力使机器人稳定的依附于工作壁面。但是，由于水下机器人攀爬的工作壁面(船侧、大坝、桥墩等)大多覆盖着一层柔软的附着物，如苔藓等水生植物，其将导致工作壁面攀爬的摩擦系数小的问题。然而水下机器人垂推的推力之和通常是有限的，当水下机器人在光滑壁面快速调头运动或控制律设计不合理时，左右履带期望的驱动力极易大于在垂推作用下履带所能产生的最大牵引力。这将使水下机器人左右履带在工作壁面打滑，进而导致调头侧移量难以精准控制的问题。
此外，不同于一些平衡点为零且跟踪的期望状态为常值的机器人控制系统，例如水下机器人定深、定向等控制系统。当控制输入受限时，这些系统可以通过设计合适的抗饱和补偿器，即在满足系统稳定性前提下，通过合理减缓期望值跟踪速度来削弱控制输入，以实现输入受限下的定深、定向等控制目标。但是，混合驱动水下机器人的调头动力学模型不同于其它一些平衡点为零且跟踪的期望状态为常值的动力学模型，这将导致不能按传统抗饱和补偿器来设计防滑控制律，应当考虑通过减小调头运动速度以实现按期望下移量无滑动调头。因此，在水下机器人垂推大小给定的前提下，如何根据工作壁面的摩擦系数，合理地协调控制履带的驱动力和调头时间，以保证水下机器人在柔软且光滑的工作壁面上无滑动地按期望下移量调头，是另一个值得深入研究的问题。
综上所述，水下机器人在攀爬模态下的防滑调头侧移量控制存在以下两个问题：1、如何利用已有的传感器间接获取水下机器人的调头侧移量，以克服无传感器直接测量获取的问题；2、如何协调控制履带的驱动力和调头时间，使水下机器人自主适应垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系数，以实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头。
技术实现要素：
(1)技术问题
本发明面向高精度的调头侧移量控制需求，针对混合驱动水下机器人调头侧移动力学模型的特殊性、侧移量无法通过传感器直接测量获取以及履带式水下机器人在工作壁面易打滑的问题，提出了一种混合驱动水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人，其能自主适应垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系数，以实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头。
(2)技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据期望调头时间t、机器人的初始航向角ψ0和自适应变量β构造出期望航向角ψd(t)；
步骤2：根据期望航向角ψd(t)以及预设的调头侧移量yd，构建滑模面s1、s2；
步骤3：基于水下机器人左、右履带不打滑的控制需求，根据水下机器人左、右履带所能提供的最大牵引力f1m和f2m，设计防滑调头控制律f1、f2以及防滑调头自适应律
步骤4：基于防滑调头控制律f1、f2，为水下机器人左、右履带分别提供牵引力u1和u2。
根据本发明的示例性实施例，步骤1中
根据本发明的示例性实施例，步骤2中
其中，
其中，
根据本发明的示例性实施例，步骤3中
其中，m＝m0+mλ为水下机器人质量m0和附加质量mλ之和；j＝j0+jλ为水下机器人绕攀爬壁面的转动惯量j0和附加转动惯量jλ之和；
其中，τ1和τ2为大于零的常数，k1和k2为大于零的常数，w1、w2、
其中，fn为水下机器人垂推推力之和，其为大于零的恒定值；d为混合驱动水下机器人的长度；μ为左右履带相对工作壁面的摩擦系数；
其中，
根据本发明的示例性实施例，步骤4中，
其中，壁面所能提供最大牵引力为
根据本发明的另一方面，提供了一种水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有执行上述防滑调头控制方法的计算机程序。
根据本发明的又一方面，提供了一种水下机器人，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有执行上述的防滑调头控制方法的计算机程序。
(3)有益效果
根据本发明的混合驱动水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及相应的防滑掉头控制装置和水下机器人，其能协调控制履带的驱动力和调头时间，使水下机器人自主适应垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系数，以实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头。在该方法中，基于滑模控制设计了自适应律，其能实时估计出模型不确定和外界未知扰动力的上界，进而抵抗模型不确定和外界扰动力对控制精度造成的不利影响。
附图说明
附图1为攀爬模态下混合驱动水下机器人防滑调头控制系统的结构框图；
附图2为混合驱动水下机器人在工作壁面行进的路线图；
附图3为混合驱动水下机器人旋转原点生成机制示意图；
附图4为混合驱动水下机器人t时刻期望的侧移量yr的生成机制示意图；
附图5为采用本发明实施例控制方法下的混合驱动水下机器人调头运动轨迹图；
附图6为采用本发明实施例控制方法下的混合驱动水下机器人调头侧移量变化曲线图；
附图7为采用本发明实施例控制方法下的混合驱动水下机器人航向角变化曲线图；
附图8为采用对比控制方法下的混合驱动水下机器人航向角变化曲线图；
附图9a、9b为分别采用本发明实施例控制方法、对比控制方法下的混合驱动水下机器人左右履带驱动力变化曲线图；
附图10a、10b为分别采用本发明实施例控制方法、对比控制方法下的混合驱动水下机器人左右履带速度变化曲线图；
附图11a、11b为采用本发明实施例控制方法下自适应变量w1和w2变化曲线图；
附图12a、12b为采用本发明实施例控制方法下滑模量s1和s2的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施来描述本发明：
本发明的一实施例中，以某型由多推进器混合驱动贴壁以及双履带行走的水下机器人为研究对象。混合驱动水下机器人的长度和左右履带间距分别为d＝1m和l＝0.9m，质量为m＝160kg,绕垂直壁面方向的转动惯量j＝4kg·m2，传动机构的摩擦阻力和压实阻力系数c0＝600ns/m,前向水阻力系数c2＝313ns/m,壁面旋转水阻力系数c3＝830ns/m。
混合驱动水下机器人初始位姿为x(0)＝0m，y(0)＝0m，ψ(0)＝10°，左右履带初始速度为v1(0)＝v2(0)＝0m/s；期望调头侧移量设置为yd＝-0.4m；混合驱动水下机器人的垂推之和设置为500n；左右履带与工作壁面间的动摩擦系数设置为μ＝0.4；混合驱动水下机器人的航向角由10°变为-180°所需要的时间，即调头时间设置为t＝30s。
本发明实施例中的控制参数选取如下：λ1＝3，τ1＝6，τ2＝14，k1＝0.1，k2＝0.02，
步骤1：利用多推进器混合驱动以实现贴壁，建立履带式水下机器人的运动学方程：
其中，(x,y)和ψ分别为水下机器人在壁面坐标系内的位置和航向角，l为左右履带间距；v1和v2分别为左右履带的行走速度。
步骤2：混合驱动水下机器人动力学方程：
其中，m＝m0+mλ为水下机器人质量m0和附加质量mλ之和，机器人前向运动速度
mf＝-l(u1-u2)为左右履带提供的驱动力矩；m0＝c0l(v1-v2)为转向时水下机器人内部损耗造成的阻尼力矩和地面作用于水下机器人的阻尼力矩，其具体包括水下机器人内部齿轮等传动机构的摩擦阻力和水下机器人碾压壁面的压实阻力所产生的阻尼力矩；
mr为转向时水下机器人侧向摩擦力所产生的阻尼力矩，其力矩方向与航向角速度方向相反，其可表示为
其中，d为混合驱动水下机器人的长度；fn为水下机器人垂推之和，其为大于零的恒定值；μ为水下机器人与壁面之间的摩擦系数。
综上所述，混合驱动水下机器人在攀爬模态下的动力学方程可写为
左右履带作用于壁面的驱动力u1和u2取决于驱动电机产生的力以及壁面所能提供的最大牵引力：
其中，壁面所能提供最大牵引力为
步骤3：混合驱动水下机器人调头侧移量可表示为
其中，yw＝2yl＞0表明水下机器人朝左侧履带方向侧移，yw＝2yl＜0表明水下机器人朝右侧履带方向侧移。为了保证水下机器人按期望的侧移量调头，则需要使yw-yd趋于零，其中，yd为预设的调头侧移量。
针对调头侧移任务需求，需设计合理的控制器使机器人的航向角从初始航向角ψ0稳定收敛至-180°，同时需保证机器人的调头侧移量稳定收敛为yd。
因此，构建如下两个滑模面：
其中，
为了满足水下机器人左、右履带不打滑的控制需求，自适应变量β可采用如下设计：
对期望的航向角求一阶和二阶导数，可得
且需满足
其中，τ1为常数，w1为待设计的自适应变量。
步骤4：针对步骤1和2设计得到的水下机器人的数学模型,以及步骤3的侧移量控制目标，采用以下控制律和自适应律进行控制，所述控制律为
其中，
其中，k1和k2为大于零的常数，w1、w2、
所述的自适应律为：
其中，
结合图1，为了实现在工作壁面无滑动地按期望侧移量调头，基于防滑调头控制律f1、f2，为水下机器人左、右履带分别提供牵引力u1和u2。
关于控制律的稳定性，可采用李雅普诺夫稳定性原理证明。选取李雅普诺夫候选函数：
其中，w＝[w1，w2]t，
对候选函数求导，可得
进一步得到
由于
基于如下放缩事实：
其中，
图1示出了攀爬模态下混合驱动水下机器人防滑调头控制系统结构框图。
首先，根据期望调头时间t、机器人的初始航向角ψ0和自适应变量β构造出期望航向角ψd(t)；
其次，根据期望航向角ψd(t)以及预设的调头侧移量yd，构建滑模面s1、s2；
再次，基于水下机器人左、右履带不打滑的控制需求，根据水下机器人左、右履带所能提供的最大牵引力f1m和f2m，设计防滑调头控制律f1、f2以及防滑调头自适应律
最后，基于防滑调头控制律f1、f2，为水下机器人左、右履带分别提供牵引力u1和u2。
图3为混合驱动水下机器人旋转原点生成机制示意图。由图3可知，混合驱动水下机器人的当前旋转原点由左右履带速度v1和v2共同决定，期望旋转原点由期望侧移量决定.本发明的控制目的是在履带不打滑前提条件下，使混合型水下机器人的当前旋转原点稳定收敛值期望旋转原点，即实现以期望侧移量调头的任务。
附图4为混合驱动水下机器人t时刻期望的侧移量yr的生成机制示意图。由图4可知，混合驱动水下机器人在任意t时刻的期望侧移量yr由航向角ψ、预设的调头侧移量yd和累积侧移量
由图5和图6可以看出，本发明所提的控制方法能较好地使水下机器人的调头侧移量稳定收敛至期望调头下移量，其侧移量控制误差大约为0.005m，满足实际运用时的精度需求。
特别地，从图7中航向角变化曲线可知，本发明所提的控制方法能自主调节调头角速度的参考值以减小履带所需的牵引力，进而间接避免履带打滑问题。
为了验证所提方法的优越性，本发明设计了一组对比控制方法；该对比方法与所提方法中的前半部分的滑模控制方法一致，不同之处在于对比方法无自适应抵抗左右履带滑动的控制策略，即
图8给出了采用对比控制方法下的混合驱动水下机器人航向角变化曲线；由图8可知，传统控制方法中航向角速度的参考值保持不变，即不具备自主调节调头角速度的参考值以减小履带所需牵引力的能力。
图9a、9b为分别采用本发明实施例控制方法、对比控制方法下的混合驱动水下机器人左、右履带驱动力变化曲线。由图9a、9b可知，相对于上述对比方法，本发明所提的控制方法通过利用自适应策略，能自主减小水下机器人的调头角速度，进而减小履带所需的牵引力，最后确保履带驱动力始终小于履带所能提供的驱动力，即能有效解决水下机器人打滑问题，保证了调头下移量控制精度。
图10a、10b为分别采用本发明实施例控制方法和上述对比控制方法下的混合驱动水下机器人左右履带速度变化曲线。从图10a、10b中可以看出，当水下机器人受到外界较大的干扰时，本发明所提控制方法中的履带速度不会出现较大的突变，能较平稳地抵抗外界不确定性干扰，具有较好的鲁棒性。图11a、11b和图12a、12b分别为本发明所提控制方法中的自适应变量和滑模面的变化曲线图。图11a、11b可以看出，当左右履带所需的驱动力大于履带所能提供的最大牵引力时，本发明的控制方法能通过自主调节自适应变量w1和w2的大小，自适应减小所需的驱动力，进而实现无滑动运动的目标。从图12a、12b可以看出，本发明的控制方法能使滑模面在稳定地收敛为零。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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