[發明專利]一種游走混合型水下機器人沿斜面直立攀爬行走控制方法

有效

• 申請號: 202110647737.2
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113325859B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 嚴衛生;崔榮鑫;陳樂鵬;楊光;張守旭;許暉
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 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;嚴田青

本發明提出了一種游走混合型水下機器人沿斜面直立攀爬行走控制方法。首先，將水下機器人沿斜面直立攀爬行走的運動模型分解為沿縱軸的前向運動模型以及沿橫平面的平面運動模型；然后，獲取水下機器人的前向力，同時獲取水下機器人的偏航力矩；其次，根據解算出的前向力和偏航力矩，分別計算水下機器人兩個水平推進器的推力，各支撐腿所需的前向力以及各支撐腿用于轉向所需的切向力，然后得到水下機器人用于前向運動和轉向運動所需要的各支撐腿前向力，再根據支撐腿的支撐角，反解求出各支撐腿髖關節的驅動力矩及各支撐腿作用于斜面的垂向力；最后，根據支撐腿作用于斜面的垂向力，計算出垂向推進器的推力值，以保證機器人本體的垂向運動穩定性。

技術領域

本發明涉及水下足式機器人控制領域，具體為一種游走混合型水下機器人沿斜面直立攀爬行走控制方法。

背景技術

隨著科學技術的進步和海洋工程及其產業的蓬勃發展，水下機器人成為完成各類水下作業任務的重要工具，其代替人類在提高生產力方面發揮著極為關鍵的作用。本申請描述的游走混合型水下機器人，依靠六個推進器和六條半圓形刀鋒腿間的協同配合，可以實現水下機器人在結構或非結構的環境中行走。為了提高機器人對水下環境的適應能力，游走混合型水下機器人除了需要具備平面直立行走能力外，還需具備在一定斜面上直立攀爬行走能力。直立攀爬行走控制策略是游走混合型水下機器人運動控制策略的重要組成部分，是確保游走混合型水下機器人高效作業的重要環節。具體地，當斜面上存在作業任務時，依靠直立攀爬行走控制方法可以保證游走混合型水下機器人順利攀爬至目標任務點，并進行任務作業。因此，游走混合型水下機器人直立攀爬行走控制是一個很有實際意義的研究。

發明內容

(1)技術問題

要實現游走混合型水下機器人的直立攀爬行走，需要解決兩個方面的控制問題：1)如何保證游走混合型水下機器人以期望的速度和航向沿水下斜面的航路點運動；2)如何協調控制游走混合型水下機器人的六個推進器與六條半圓形刀鋒腿，以保證機器人行走的穩定性。

(2)技術方案

首先，將游走混合型水下機器人直立攀爬行走控制分解為水下機器人跟蹤期望速度的前向運動控制及在橫平面內的參考直線路徑跟隨控制。在此基礎上，將水下機器人前向運動控制及參考直線路徑跟隨控制所需要的力和力矩來對水下機器人各支撐腿的前向力和各推進器的推力進行分配。

根據本發明的一方面，提供了一種游走混合型水下機器人沿斜面直立攀爬行走控制方法，包括：

將水下機器人沿斜面直立攀爬行走的運動模型分解為沿縱軸的前向運動模型以及沿橫平面的平面運動模型；

針對前向運動模型，根據水下機器人期望行走速度，采用比例控制，獲取水下機器人的前向力，同時將水下機器人跟隨參考直線路徑的平面運動模型轉化為包含橫向誤差和航向角誤差的級聯系統，基于反步思想設計水下機器人控制律，獲取水下機器人的偏航力矩；

根據解算出的前向力和偏航力矩，分別計算水下機器人兩個水平推進器的推力，各支撐腿所需的前向力以及各支撐腿用于轉向所需的切向力，然后根據運動疊加原理得到水下機器人用于前向運動和轉向運動所需要的各支撐腿前向力，再根據支撐腿的支撐角，反解求出各支撐腿髖關節的驅動力矩及各支撐腿作用于斜面的垂向力；

根據支撐腿作用于斜面的垂向力，計算出垂向推進器的推力值。

進一步地，針對前向運動模型，根據水下機器人期望行走速度，采用比例控制，獲取水下機器人的前向力為：

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