[發明專利]水下仿生球形/半球形機器人的推力矢量分配優化方法

有效

• 申請號: 202110450053.3
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113296524B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 邢會明;葉秀芬;劉文智;李海波;梅新奎;王璘;陳尚澤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 北京睿派知識產權代理有限公司 11597
• 代理人: 劉鋒

本發明提出一種水下仿生球形/半球形機器人的推力矢量分配優化方法，所述機器人赤道面周向分布四組腿部機構，每組所述腿部機構至少包括依次連接的第一水平轉動關節、第一連桿、第一垂直轉動關節及遠端連接的推進器，所述方法包括：S1，建立所述機器人的多種運動模式，所述多種運動模式至少包括“H”型運動模式、“工”型運動模式和“X”型運動模式；S2，建立所述多種運動模式分別對應的運動模型，所述運動模型至少包括“H”型運動模型、“工”型運動模型和“X”型運動模型；S3，根據多個所述運動模型建立多并聯PID控制模型，設定期望航跡點，以所述機器人的位置信息和姿態角信息為反饋信息，切換所述運動模式，閉環控制所述機器人運動。

技術領域

本發明屬于水下機器人控制領域，具體涉及一種水下仿生球形/半球形機器人的推力矢量分配優化方法。

背景技術

隨著海洋開發活動越來越頻繁和深入，對海洋探測技術和設備的需求也越來越高。常規AUV、UUV等魚雷狀流線型水下航行器，適合遠距離快速運動的任務設定，無法滿足狹窄空間內的高精度的位置和位姿控制應用需求。針對水下狹窄空間環境，大量研究人員開始研發小型水下機器人。2012 年，英國曼徹斯特大學和牛津大學合作研制出了“MK”系列球形水下球形機器人。該球形機器人的赤道面外部安裝了六個對稱的推進器，球殼直徑僅0.15m，該研究團隊針對該機器人采用滑模方法對其運動控制進行了研究，以提高其執行任務的穩定性和抗擾性。北京郵電大學孫漢旭教授團隊多年來致力于球形機器人的研制工作，己研制出BYSQ-1、BYSQ-2和BYSQ-3三代水下機器人樣機。

近年來，國內外對基于矢量運動控制的水下機器人研究較多。2016年，美國國際水下機器人大賽中，康內爾大學代表隊研制的水下機器人Thor采用了矢量化推進系統。該機器人采用四個常規推進器和四個360度旋轉推進器，在前進運動中，機器人最多采用六個推進器提供前進動力，四個推進器實現垂直運動，兩個推進器實現航向調節，極大提高了推進器的利用率。

2015年，韓國首爾國立大學設計了一款水下機器人，該機器人采用四傾斜推進器，可以實現原地六自由度高難度的姿態控制。由于機器人推進器采用對角線方向布置，在快速遠距離運動中存在能量的內耗，從而降低了機器人效率。

2013年，Torres等人完成一款微型四可傾斜螺旋槳的水下機器人，該機器人重2.2kg，四個推進器只能繞同一軸旋轉，機器人在前進和垂直方向上運動容易實現，但是在橫向運動中機器人無法完成。

2011年，Ngoc-Huy Tran等人設計了一款新型蝶形水下機器人UDR(an underwaterdisk robot)，可以實現六個自由度運動。機器人在水平方向上有三個對稱推進器分布在圓形底盤周圍，各推進器夾角為120度，且該推進器可繞垂直方向左右旋轉30度，可實現矢量化控制。該機器人在垂直方向上采用三個推進器，可實現深度調節。

常規水下機器人適合遠程高速運動，不適合低速和高精度姿態控制。矢量推進系統極大解決了這個問題。另外，在水下機器人中，矢量化推進器還有抗水流干擾能力強，機動靈活等優點。基于矢量化推進系統的水下機器人是一個多輸入多輸出、強耦合、非線性系統，需要對其動力學模型進行解耦處理，從而簡化水下機器人的控制。

發明內容

本發明的目的是提出一種水下仿生球形/半球形機器人的推力矢量分配優化方法，能夠基于實時動態推力矢量分配優化機制而控制小型水下機器人三維自主運動。

有鑒于此，本發明提供了一種水下仿生球形/半球形機器人的推力矢量分配優化方法，所述機器人赤道面周向分布四組腿部機構，每組所述腿部機構至少包括依次連接的第一水平轉動關節、第一連桿、第一垂直轉動關節及遠端連接的推進器，所述方法包括：

S1，建立所述機器人的多種運動模式，所述多種運動模式至少包括“H”型運動模式、“工”型運動模式和“X”型運動模式；