[發(fā)明專(zhuān)利]全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)及回收三維路徑跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810885325.0
• 申請(qǐng)日: 2018-08-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109050835B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾慶軍;姚金藝;朱志宇;馬國(guó)軍;戴文文
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B63C11/52
• 分類(lèi)號(hào): B63C11/52;G05D1/10;G05B13/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發(fā)明公開(kāi)了一種全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)及回收三維路徑跟蹤方法，提供一種三段式回收三維路徑跟蹤方法，以及一種用于機(jī)器人回收直線(xiàn)歸位階段與直線(xiàn)跟蹤階段的改進(jìn)的非奇異終端模糊滑模控制算法。所采用的三維路徑跟蹤方法，將回收路徑分為三段，將每段曲線(xiàn)轉(zhuǎn)化為空間離散點(diǎn)序列對(duì)其跟蹤控制。所采用的改進(jìn)的非奇異終端模糊滑模算法，在滑模控制中，設(shè)計(jì)分段切換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)滑動(dòng)模態(tài)，并通過(guò)模糊算法對(duì)滑模增益進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，使其能快速、平穩(wěn)地追蹤目標(biāo)點(diǎn)，增強(qiáng)回收三維路徑跟蹤性能，提高回收成功率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自主水下機(jī)器人，尤其涉及全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)及回收三維路徑跟蹤階段方法，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自主式水下無(wú)人航行器(AUV)作為探索海洋空間的有力工具之一，在軍事和科學(xué)研究方面起著越來(lái)越重要的作用。未來(lái)的AUV需要更長(zhǎng)的水下工作時(shí)間、更大的自主性、更隱蔽的情報(bào)收集能力、更高速的數(shù)據(jù)分析速度以及更強(qiáng)大的通信能力。而這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要受到自身攜帶能源和水下通信兩個(gè)因素的限制。由于幾十年來(lái)電池技術(shù)一直沒(méi)有獲得突破性進(jìn)展，AUV的水下工作時(shí)間仍然很短，需要頻繁的回收和布放。此外水聲通信速率較低，AUV難以及時(shí)回傳所收集到的數(shù)據(jù)。兩者均極大增加了AUV的使用成本，降低了其工作效率。因此，對(duì)AUV的回收對(duì)接研究顯得尤為重要。在回收過(guò)程中，AUV路徑跟蹤控制非常關(guān)鍵，尤其在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，探究有效的回收路徑跟蹤控制方法，完成回收任務(wù)，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而且在軍事、科研等方面具有現(xiàn)實(shí)意義。

全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用多推進(jìn)器操縱的設(shè)計(jì)方式，通過(guò)改變多推進(jìn)器的推力來(lái)實(shí)現(xiàn)自主水下機(jī)器人的縱向運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)以及升沉運(yùn)動(dòng)。由于全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)具有高度的非線(xiàn)性以及強(qiáng)耦合性，并且在水下航行時(shí)容易受到海流以及信號(hào)傳輸干擾等問(wèn)題，這些因素給運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)很大難度。這些都成為全驅(qū)動(dòng)AUV三維空間跟蹤控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外就三維路徑的跟蹤問(wèn)題研究的較少，研究多針對(duì)于水平面、垂直面的二維平面控制。本發(fā)明首先將三維路徑分解為均勻的離散點(diǎn)序列，與傳統(tǒng)的航路點(diǎn)跟蹤方法相比，本方法對(duì)于曲線(xiàn)點(diǎn)的規(guī)劃及選取更加快捷、平滑。在控制器的選擇上，由于全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人模型的高度非線(xiàn)性與不確定性的特點(diǎn)，本發(fā)明采用改進(jìn)的非奇異終端模糊滑模控制算法。目前應(yīng)用于自主水下機(jī)器人三維路徑跟蹤控制多為模糊控制、滑模控制等智能控制算法。模糊控制算法雖然具有魯棒性強(qiáng)，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是模糊控制器參數(shù)難以直接確定；滑模控制算法可以不依賴(lài)系統(tǒng)模型，但系統(tǒng)本身所帶來(lái)的抖振問(wèn)題難以消除，影響了系統(tǒng)的控制精度。申請(qǐng)?zhí)枮椤?01210490435.X”的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種“用于噴藥移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤滑模控制系統(tǒng)和控制方法”，滑模控制帶來(lái)的抖振問(wèn)題沒(méi)有得到解決，跟蹤精度較差；申請(qǐng)?zhí)枮椤?01610835447.X”的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了“一種基于自適應(yīng)滑模控制的UUV路徑跟蹤方法”，其將滑模控制與自適應(yīng)控制相結(jié)合，但控制器仍然存在對(duì)機(jī)器人慣量及不確定性的依賴(lài)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)及回收三維路徑跟蹤方法，應(yīng)用于全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人回收控制過(guò)程，提供全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人回收直線(xiàn)歸位與直線(xiàn)跟蹤階段的三維路徑跟蹤控制方法，以及提供一種全驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人回收直線(xiàn)歸位階段與直線(xiàn)跟蹤階段的改進(jìn)的非奇異終端模糊滑模控制算法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：