[發明專利]欠驅動水面機器人的水動力系數混合自適應估計方法

有效

• 申請號: 202110648289.8
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113341718B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 周華;于瑞;馬思宇;胡經文;羅貴福
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

1.一種欠驅動水面機器人的水動力系數混合自適應估計方法，其特征在于：包括以下具體步驟：

(1)獲取水面機器人的物理參數，根據水面機器人的物理參數建立水面機器人的線性動力學模型；

(2)針對水面機器人，建立水域流場的網格劃分模型，且劃分為純縱橫蕩結構網格和純艏搖結構網格；

(3)將步驟(2)中劃分的純縱橫蕩結構網格和純艏搖結構網格進行純縱蕩、純橫蕩和純艏搖的仿真，仿真時獲得橫蕩力曲線和艏搖力矩曲線，利用橫蕩力曲線和艏搖力矩曲線輸入到步驟(1)的線性動力學模型中擬合得到X_u、Y_v、Y_r、N_v、N_r、的10個水動力系數；由10個水動力系數組建水動力系數向量θ中，水動力系數向量θ中有10個元素，10個元素依次為q₁、q₂、q₃、q₄、q₅、q₆、q₇、q₈、q₉和q₁₀，其中，q₆＝X_u，q₇＝Y_v，q₈＝Y_r，q₉＝N_v，q₁₀＝N_r；以水動力系數向量θ作為步驟(5)迭代過程中的水動力系數估計向量的初始值，同時設置水動力系數向量θ中的每個元素的自適應范圍作為步驟(5)迭代過程中參數自適應率的迭代約束范圍；

(4)通過水池試驗獲得水面機器人在給定推力下的各個時刻的位姿信息；

(5)根據步驟(4)中水池試驗得到的位姿信息處理獲得速度向量的估計值向量，進而建立輔助誤差向量和輔助向量模型計算輔助誤差向量κ，再建立參數自適應率公式獲得水面機器人的水動力系數的估計值向量

(6)重復步驟(5)，以上一次迭代獲得的水面機器人的水動力系數的估計值向量和水池試驗獲得下一個時刻的位姿信息代入到步驟(5)的速度向量的估計值向量的公式中進行迭代循環，直至步驟(4)獲得水池試驗獲得各個時刻的位姿信息均迭代循環處理過，完成水動力系數混合自適應估計；

所述(1)中的線性動力學模型具體為：

式中，v表示水面機器人的速度向量；表示水面機器人的速度向量v的導數；ΔU表示測量水動力系數過程中附體坐標系下水面機器人受到的外界干擾力；M是質量矩陣，H(v)是柯氏力矩陣，D是阻尼矩陣，U_prop是推進器提供的推力矩陣；

上述v、M、H(v)、D和U_prop分別計算為：

v＝[u v r]^T

H(v)＝[mvr -mur 0]^T

U_prop＝[F_pl+F_pr 0 (F_pl-F_pr)l]^T

ΔU＝[ΔX ΔY ΔN]^T

式中，u表示水面機器人的縱蕩速度；v表示水面機器人的橫蕩速度；r表示水面機器人的艏搖角速度；m代表水面機器人的質量；I_z代表水面機器人關于Z軸的轉動慣量；l代表水面機器人中兩個推進器之間的距離的一半；F_pl表示左推進器的推進力；F_pr代表右推進器的推進力；X_u表示縱蕩方向水動力關于縱蕩速度的線性水動力導數；Y_v表示橫蕩方向水動力關于橫蕩速度的線性水動力導數；Y_r表示橫蕩方向水動力關于艏搖角速度的線性水動力導數；N_v表示水動力轉艏力矩關于橫蕩速度的線性水動力導數；N_r表示水動力轉艏力矩關于艏搖角速度的線性水動力導數；X_u表示縱蕩方向水動力關于縱蕩加速度的線性水動力導數；Y_v表示橫蕩方向水動力關于橫蕩加速度的線性水動力導數；Y_r表示橫蕩方向水動力關于艏搖角加速度的線性水動力導數；N_v表示水動力轉艏力矩關于橫蕩加速度的線性水動力導數；N_r表示水動力轉艏力矩關于艏搖角加速度的線性水動力導數；ΔX表示測量過程中水面機器人受到的縱蕩方向干擾力；ΔY表示測量過程中水面機器人受到的橫蕩方向干擾力；ΔN表示測量過程中水面機器人受到的艏搖方向干擾力矩。