[發(fā)明專(zhuān)利]一種水下機(jī)器人的推力分配器及推力分配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210259118.0
• 申請(qǐng)日: 2022-03-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114620207B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫功武;屈俊琪;王俊軒;李新光;毛英
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中船重工海洋裝備（海南）有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): B63C11/52
• 分類(lèi)號(hào): B63C11/52;B63G8/08;G06F17/16
• 代理公司: 無(wú)錫華源專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32228
• 代理人: 過(guò)顧佳

本發(fā)明公開(kāi)了一種水下機(jī)器人的推力分配器及推力分配方法，涉及水下技術(shù)領(lǐng)域，該方法分別對(duì)水平縱向期望力、水平橫向期望力和轉(zhuǎn)艏力矩在各個(gè)水平推進(jìn)器上進(jìn)行單自由度力或力矩分配得到三個(gè)初始推力，然后利用三個(gè)待求系數(shù)對(duì)三個(gè)初始推力進(jìn)行加權(quán)的水平推力合成，然后基于水下機(jī)器人當(dāng)前作業(yè)任務(wù)對(duì)各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)需求對(duì)應(yīng)的指示各個(gè)待求系數(shù)取得更大取值的期望優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)函數(shù)，在推進(jìn)器的推力范圍所確定的約束條件下求解得到各個(gè)推進(jìn)器的指令推力值；該方法從水下機(jī)器人作業(yè)任務(wù)需求考慮來(lái)進(jìn)行推力分配，通過(guò)適當(dāng)犧牲某些自由度上的控制性能以?xún)?yōu)先保證關(guān)鍵自由度上的控制性能，能夠保證作業(yè)任務(wù)能夠順利完成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種水下機(jī)器人的推力分配器及推力分配方法。

背景技術(shù)

水下機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于海洋資源開(kāi)發(fā)、深海打撈作業(yè)、核電檢測(cè)等領(lǐng)域。水下機(jī)器人搭載有推進(jìn)器以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，目前常見(jiàn)的配置方式是水下機(jī)器人搭載有4臺(tái)水平推進(jìn)器及2臺(tái)垂直推進(jìn)器，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)6臺(tái)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的深度、水平面位置及航向的運(yùn)動(dòng)控制。

控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)6臺(tái)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速時(shí)，需要根據(jù)控制算法計(jì)算出需求力/力矩，然后對(duì)水下機(jī)器人各推進(jìn)器的推力大小進(jìn)行合理的推力分配，從而使推進(jìn)器產(chǎn)生的合成力/力矩滿足水下機(jī)器人控制所期望的力/力矩。

但是水下機(jī)器人的水下作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，會(huì)受到各種影響，當(dāng)水下機(jī)器人在強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境或極限運(yùn)動(dòng)的任務(wù)工況下，通過(guò)目前的推力分配方法驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器產(chǎn)生的推力可能達(dá)不到控制系統(tǒng)輸出的期望推力，此時(shí)控制系統(tǒng)與推力分配構(gòu)成了一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，很難估計(jì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，容易導(dǎo)致作業(yè)任務(wù)失敗。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明人針對(duì)上述問(wèn)題及技術(shù)需求，提出了一種水下機(jī)器人的推力分配器及推力分配方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種水下機(jī)器人的推力分配方法，該方法包括：

確定水下機(jī)器人的垂向期望力τ_dz、水平縱向期望力τ_ldx和水平橫向期望力τ_ldy和轉(zhuǎn)艏力矩τ_ldn，其中水平縱向是沿著水下機(jī)器人艏部向前的方向，水平橫向是水平面上垂直于水平縱向朝向水下機(jī)器人右側(cè)的方向，垂向是垂直于水平面的方向，水下機(jī)器人搭載有若干個(gè)水平推進(jìn)器和垂直推進(jìn)器；

對(duì)水平縱向期望力τ_ldx在各個(gè)水平推進(jìn)器上進(jìn)行單自由度推力分配得到各個(gè)水平推進(jìn)器的第一初始推力T_ldx，對(duì)水平橫向期望力τ_ldy在各個(gè)水平推進(jìn)器上進(jìn)行單自由度推力分配得到各個(gè)水平推進(jìn)器的第二初始推力T_ldy，對(duì)轉(zhuǎn)艏力矩τ_ldn在各個(gè)水平推進(jìn)器上進(jìn)行單自由度力矩分配得到各個(gè)水平推進(jìn)器的第三初始推力T_ldn；

構(gòu)建每個(gè)水平推進(jìn)器的水平推力合成公式為T(mén)_ld＝k₁×T_ldn+k₂×T_ldx+k₃×T_ldy，其中，k₁、k₂、k₃均為[0,1]范圍內(nèi)的待求系數(shù)，并根據(jù)水下機(jī)器人當(dāng)前作業(yè)任務(wù)對(duì)各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)需求確定目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)指示各個(gè)待求系數(shù)取得更大取值的期望優(yōu)先級(jí)，水平縱向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)需求越大、k₂的期望優(yōu)先級(jí)越大，水平橫向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)需求越大、k₃的期望優(yōu)先級(jí)越大，艏部轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)需求越大、k₁的期望優(yōu)先級(jí)越大；

基于目標(biāo)函數(shù)在推進(jìn)器的推力范圍所確定的約束條件下求解各個(gè)水平推進(jìn)器的水平推力合成公式，得到待求系數(shù)k₁、k₂、k₃的取值，并代入每個(gè)水平推進(jìn)器的水平推力合成公式得到每個(gè)水平推進(jìn)器的指令推力值；