[發明專利]水下機器人攀爬模態下的防滑調頭控制方法及水下機器人

有效

• 申請號: 202011074964.2
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112141303B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 嚴衛生;崔榮鑫;陳樂鵬;許暉;王崇武;李宏;邢瑤;蔣紹博;張守旭
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;西北工業大學深圳研究院
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52;B63B59/10
• 代理公司: 北京尚鉞知識產權代理事務所(普通合伙) 11723
• 代理人: 王海榮

本發明涉及水下機器人控制技術領域，提供了一種水下機器人攀爬模態下的防滑調頭控制方法。防滑調頭控制方法，包括以下步驟：步驟1：根據期望調頭時間T、機器人的初始航向角ψ₀和自適應變量β構造出期望航向角ψ_d(t)；步驟2：根據期望航向角ψ_d(t)以及預設的調頭側移量y_d，構建滑模面s₁、s₂；步驟3：基于水下機器人左、右履帶不打滑的控制需求，根據水下機器人左、右履帶所能提供的最大牽引力F_1m和F_2m，設計防滑調頭控制律F₁、F₂以及防滑調頭自適應律步驟4：基于防滑調頭控制律F₁、F₂，為水下機器人左、右履帶分別提供牽引力u₁和u₂。根據本發明的水下機器人攀爬模態下的防滑調頭控制方法可實現在工作壁面無滑動地按期望側移量調頭。

技術領域

本發明涉及水下機器人控制技術領域，具體為一種水下機器人攀爬模態下的防滑調頭控制方法及相應的防滑掉頭控制裝置和水下機器人。

背景技術

水下機器人是海洋資源開發，海洋監測以及海洋生態保護的重要裝備之一。通過搭載不同類型的傳感器和執行器，水下機器人能夠有效地實現對海洋探索、開發、監測以及偵查等多項任務。

對于復雜海洋環境下的探索開發，尤其是當需要在船側、大壩、橋墩等復雜工作面進行降落、攀爬或行走等作業任務時，就需要深入地研究開發同時具有大范圍游動能力以及局部行走和攀爬能力的水下機器人，其可廣泛應用于海洋資源開發和利用、海洋牧場建設、水下文化遺產保護、搜集和打撈、水庫大壩的安全檢查、船舶清洗和日常保養、水下安全等領域，可促進我國海洋經濟的快速發展，維護社會穩定和國家安全，具有重要的經濟和社會效益。

水下機器人通常受限于傳感器探測范圍或者作業工具作業范圍的制約，當水下機器人著陸并貼合到工作面后，就需要合理設計水下機器人的覆蓋控制算法，以實現對工作壁面的高效率的檢測或作業。沿著預定規劃路徑循環式覆蓋方法作為一種簡單實用的覆蓋控制算法廣泛應用于實際工程中，其核心在于機器人調頭側移量的精確控制。基于此，面向左右履帶和推進器混合驅動的水下機器人的調頭側移量控制是一個很有理論和實際意義的研究問題。

水下機器人依靠推進器的螺旋槳產生垂直于工作面的推力使機器人穩定的依附于工作壁面。但是，由于水下機器人攀爬的工作壁面(船側、大壩、橋墩等)大多覆蓋著一層柔軟的附著物，如苔蘚等水生植物，其將導致工作壁面攀爬的摩擦系數小的問題。然而水下機器人垂推的推力之和通常是有限的，當水下機器人在光滑壁面快速調頭運動或控制律設計不合理時，左右履帶期望的驅動力極易大于在垂推作用下履帶所能產生的最大牽引力。這將使水下機器人左右履帶在工作壁面打滑，進而導致調頭側移量難以精準控制的問題。

此外，不同于一些平衡點為零且跟蹤的期望狀態為常值的機器人控制系統，例如水下機器人定深、定向等控制系統。當控制輸入受限時，這些系統可以通過設計合適的抗飽和補償器，即在滿足系統穩定性前提下，通過合理減緩期望值跟蹤速度來削弱控制輸入，以實現輸入受限下的定深、定向等控制目標。但是，混合驅動水下機器人的調頭動力學模型不同于其它一些平衡點為零且跟蹤的期望狀態為常值的動力學模型，這將導致不能按傳統抗飽和補償器來設計防滑控制律，應當考慮通過減小調頭運動速度以實現按期望下移量無滑動調頭。因此，在水下機器人垂推大小給定的前提下，如何根據工作壁面的摩擦系數，合理地協調控制履帶的驅動力和調頭時間，以保證水下機器人在柔軟且光滑的工作壁面上無滑動地按期望下移量調頭，是另一個值得深入研究的問題。

綜上所述，水下機器人在攀爬模態下的防滑調頭側移量控制存在以下兩個問題：1、如何利用已有的傳感器間接獲取水下機器人的調頭側移量，以克服無傳感器直接測量獲取的問題；2、如何協調控制履帶的驅動力和調頭時間，使水下機器人自主適應垂推推力大小和攀爬工作壁面的摩擦系數，以實現在工作壁面無滑動地按期望側移量調頭。

發明內容