[發明專利]一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法

有效

• 申請號: 202011056659.0
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112147899B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉愛民;孟繁貴;李英颯
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發明公開一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法，屬于水下機器人運動規劃和軌跡跟蹤技術領域，該方法在水下機器人通過加速、勻速和減速完成既定的規劃路線基礎上增加了洋流干擾、洋流測速以及避障部分。當遇到障礙物時，水下機器人控制系統根據水下機器人與障礙物的距離以及障礙物的大小，通過模糊滑模算法調節水下機器人的速度以及航向角，達到快速避障的效果。本方法可以有效降低水下機器人運動時的洋流干擾，保障水下機器人平穩安全運行。

技術領域

本發明涉及水下機器人運動規劃和軌跡跟蹤技術領域，尤其涉及一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法。

背景技術

海洋總面積約占地球表面積的71％，豐富的海洋資源等待著人們探索和開發，水下機器人應運而生。水下機器人在未知的海洋環境下工作，除了完成既定的勘測任務之外，保障自身的安全也尤為重要。因此水下機器人不僅要具備軌跡跟蹤能力，還要具備快速避障的能力。

水下機器人按照控制變量和被控自由度的數量關系分為三大類：全驅動水下機器人、過驅動水下機器人和欠驅動水下機器人。為了降低成本和減輕質量，本發明采用欠驅動水下機器人，欠驅動水下機器人具有能源消耗低和系統推進效率高的優點，但是欠驅動水下機器人系統具有較強的耦合性，模型參數不定，易受海洋環境影響，因此采用合適的控制算法不僅可以提高欠驅動水下機器人系統的魯棒性，而且對水下機器人實現快速避障至關重要。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明提供一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法，包括如下步驟：

步驟1：建立水下機器人在水平面的推力分布以及運動學模型；給定水下機器人的運動路線，行駛速度以及外界擾動，設置障礙物，障礙物的位置和大小未知；

所述水下機器人在水平面的運動學模型為：

V＝[u v r]

其中，M為包括水動力引起的附加重力的慣性矩陣；V為水下機器人的運動速度，其中u、v為直角坐標系中水下機器人在X、Y軸的速度分量，r為水下機器人在水平面的角速度；為運動速度關于時間的導數；C(V)為包括水動力引起的附加重力的哥式力和向心力矩陣；D(V)為水阻力與動力矩陣；G為重力和浮力矩陣；T為外部施加的作用力和轉矩，包括控制輸入和外界擾動；

所述直角坐標系以水下機器人的質心點為坐標系原點，X軸平行于艇體基線指向艇首，Y軸平行于基面指向右舷。

所述水下機器人在水平面的推力分布為：

U＝[T₁ T₂]

其中，F為外部施加的作用力；Q為外部施加的轉矩；L為轉換矩陣；U為推進器推力向量，T₁為推進器1的推力，T₂為推進器2的推力；W為外界擾動。

步驟2：水下機器人根據給定的運動路線和行駛速度進行路徑跟蹤，同時由聲納檢測其前方是否存在障礙物；

所述水下機器人根據給定的運動路線和行駛速度進行路徑跟蹤時，水平面軌跡跟蹤誤差表示為：

其中，Xe為水下機器人在X軸的位移跟蹤誤差，Ye為水下機器人在Y軸的位移跟蹤誤差,為水下機器人的航向角跟蹤誤差，為水下機器人在X軸的位移跟蹤誤差關于時間的導數，為水下機器人在Y軸的位移跟蹤誤差關于時間的導數，為水下機器人的航向角跟蹤誤差關于時間的導數。