[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

本發明公開了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。獲取物理參數，建立性動力學模型；建立水域流場的網格劃分模型，且劃分為網格；仿真獲得橫蕩力曲線和艏搖力矩曲線，利輸入線性動力學模型擬合得水動力系數；以水動力系數向量作為迭代過程中的初始值并設置自適應范圍，通過水池試驗獲得給定推力下的姿信息，處理獲得速度向量的估計值向量，計算輔助誤差向量，建立參數自適應率公式獲得估計值向量；重復步驟迭代循環，直至水池試驗獲得位姿信息均迭代循環處理過。本發明結果更逼近真實值，充分考慮了測量噪聲及外界干擾的影響，更加符合測量實際，避免了對速度求導所造成的加速度信息精度低的問題。

技術領域

本發明涉及一種水面機器人測試估計方法，尤其涉及一種欠驅動水面機器人的水動力系數估計方法。

背景技術

隨著世界經濟的飛速發展和人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正逐漸減少。海洋不僅僅作為一種交通運輸通道存在，更重要的是它能從一定程度上緩解人類的資源危機。海洋里蘊藏著豐富的礦產資源，海洋的探測也具有極強的吸引力、挑戰性。隨著海洋探測的日益增多，欠驅動水面機器人被越來越廣泛應用于海洋的探索、監測及救援中。欠驅動水面機器人水動力參數的獲取成為了其實現水下目標跟蹤、軌跡跟隨控制的基礎與關鍵。

然而，欠驅動水面機器人的形狀一般不規則，故傳統的水動力系數經驗公式大多難以適用。而在基于CFD的水動力系數獲取方法中，程序的編寫和網格的劃分很大程度上依賴于經驗與技巧，故該方法的精度有待提高。約束船模實驗法需要小型水面救援機器人設置有相應的測試安裝機構，且對測試儀器有更高的要求，因此需要的經費投入更高。支持向量機、神經網絡等方法前期需要大量的實船實驗以獲取數據進行訓練，需要較長的實驗時間和計算時間。最小二乘法受參數初始給定值影響較大，需要得到準確的角加速度數值，且不能保證速度估計誤差收斂。

傳統的參數自適應法沒有考慮存在外界干擾和測量噪聲的情況，現有實驗所得到的水動力導數難以達到真實值附近的精度，并不準確。

發明內容

本發明要解決的技術問題設計一種針對欠驅動水面機器人的水動力導數估計方式，該方法考慮實驗過程中外界干擾和測量噪聲，且不需要得到角加速度的具體信息，最終得到的水動力導數接近真實值且廣義速度的預測誤差可以收斂到0，達到準確的精度，避免了對速度求導所造成的加速度信息精度低的問題。

本發明采用的技術方案如下：

(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θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉和θ₁₀，其中，θ₆＝X_u，θ₇＝Y_v，θ₈＝Y_r，θ₉＝N_v，θ₁₀＝N_r；