[發(fā)明專利]一種基于遺傳算法的水下機(jī)器人六自由度動(dòng)力定位推力分配優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811017323.6
• 申請(qǐng)日: 2018-09-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108803634B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張國(guó)成;王元慶;孫玉山;唐同澤;王占緣;張宸鳴;馬陳飛;吳新雨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/06
• 分類號(hào): G05D1/06
• 代理公司: 哈爾濱市陽(yáng)光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 鄧宇

本發(fā)明屬于水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于遺傳算法的水下機(jī)器人六自由度動(dòng)力定位推力分配優(yōu)化方法；包括如下步驟：依據(jù)輸入量確定水下機(jī)器人工作模式，建立推力分配模型，依照空間布置特點(diǎn)對(duì)復(fù)雜約束條件簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)遺傳算法降維；設(shè)定推進(jìn)器的大小和轉(zhuǎn)角，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)；采用遺傳算法解決推力分配優(yōu)化問(wèn)題，反解降維矩陣求出各推進(jìn)器推力及轉(zhuǎn)角。本發(fā)明將推力分配的約束從四自由度提高為六自由度；采用遺傳算法避免了傳統(tǒng)方法面對(duì)非線性聯(lián)合約束求解困難問(wèn)題；在推力分配時(shí)提出了降維方法，使求解精度提高，計(jì)算速度加快，從而實(shí)現(xiàn)了六自由度約束條件下推力分配快速求解及能耗降低的優(yōu)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于遺傳算法的水下機(jī)器人六自由度動(dòng)力定位推力分配優(yōu)化方法。

技術(shù)背景

水下機(jī)器人在水下探測(cè)和水下作業(yè)任務(wù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)于一般的水下機(jī)器人而言，通常只需要對(duì)前進(jìn)方向、轉(zhuǎn)首和深度進(jìn)行控制。但出于執(zhí)行更為復(fù)雜的任務(wù)的需要，要求水下機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度的精確控制。通常具備六自由度動(dòng)力定位的水下機(jī)器人至少需配備六個(gè)推進(jìn)器以產(chǎn)生三個(gè)線性方向的平移和旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)精確控制和獲得更好的定位效果，多數(shù)機(jī)器人配置更多的推進(jìn)器，在冗余推進(jìn)器布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行推力分配，其約束函數(shù)是線性的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易。受到體積的限制，本發(fā)明所針對(duì)的水下機(jī)器人只配備了四個(gè)矢量推進(jìn)器，采用十字型方式布置，每個(gè)推進(jìn)器都能在水平和豎直方向之間旋轉(zhuǎn)。這種布置在推力分配時(shí)有推力和推進(jìn)器轉(zhuǎn)角兩種輸出量，其約束條件是非線性的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于遺傳算法的水下機(jī)器人六自由度動(dòng)力定位推力分配優(yōu)化方法，其能夠合理分配推力任務(wù)，達(dá)到能效最優(yōu)的目的。

一種基于遺傳算法的水下機(jī)器人六自由度動(dòng)力定位推力分配優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：

步驟1：確定推力分配方法，依照輸入量所控制的自由度不同分為直接法和智能算法兩種求解方法；其中，輸入量為輸入的縱向、橫向、垂向的力以及橫滾、縱傾和艏搖力矩，以下稱其為控制力矩：τ＝[τ_x τ_y τ_z τ_p τ_q τ_r]；

步驟2：判斷其工作模式，如果τ_y＝τ_q＝0，則此時(shí)水下機(jī)器人處于定身定向工作狀態(tài)，采用直接法進(jìn)行動(dòng)力分配，轉(zhuǎn)步驟3，否則為任意角度控制，采用智能算法即遺傳算法進(jìn)行分配，轉(zhuǎn)步驟4；

步驟3：建立推力分配數(shù)學(xué)模型τ＝Bu；u＝[u₁ u₂ u₃u₄]，式中u為四個(gè)推進(jìn)器輸出的推力，l_xi，l_yi為第i個(gè)推進(jìn)器距水下機(jī)器人質(zhì)心的縱向、橫向距離，此時(shí)，①②推進(jìn)器水平放置，③④推進(jìn)器豎直放置，計(jì)算上述矩陣能解出各推進(jìn)器推力，完成輸出；

步驟4：建立機(jī)器人推力分配模型，推力系數(shù)矩陣B與推進(jìn)器轉(zhuǎn)角α關(guān)系如下，τ＝B(α)u；

對(duì)約束方程降維；

步驟5：建立遺傳算法的優(yōu)化目標(biāo)方程：

其中，P為推進(jìn)器功率，N為推進(jìn)器角度改變產(chǎn)生的能耗，α₀為上一步結(jié)果中推進(jìn)器轉(zhuǎn)角，初始為0，Q為權(quán)值矩陣；

步驟6：建立初始種群，進(jìn)行遺傳算法的參數(shù)包括種群規(guī)模，繁殖代數(shù)，個(gè)人中變量個(gè)數(shù)，變量的上下限、交叉概率、變異概率及容忍度，初始種群的個(gè)體隨機(jī)產(chǎn)生，隨機(jī)范圍為變量上下限；

步驟7：適度函數(shù)計(jì)算：

上式中Au-T表示當(dāng)前個(gè)體關(guān)于等式約束的偏差值，W為懲罰矩陣；