[發明專利]水下航行器及其路徑跟蹤控制方法和裝置

在審

• 申請號: 202310233735.8
• 申請日: 2023-03-03
• 公開（公告）號: CN116300982A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 趙宏亮;張木;張育瑋;薛任宇欣;孔凡忠;王銳;高宏宇;黃磊;劉鵬;柯南極
• 申請（專利權）人: 新興際華（北京）智能裝備技術研究院有限公司
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 龔利波

本發明提供一種水下航行器及其路徑跟蹤控制方法和裝置，獲取用于監測待測物體的期望路徑以及水下航行器的運行參數；基于期望路徑和運行參數，確定水下航行器的路徑跟蹤誤差；將水下航行器的非零時變橫滾角、攻角和側滑角所引起的非線性干擾作為水下航行器的運動學不確定項，并預估該運動學不確定項；基于路徑跟蹤誤差和運動學不確定項，對水下航行器進行路徑跟蹤控制。本發明在路徑跟蹤控制的過程中，對運動學不確定項進行了補償，從而提高了水下航行器路徑跟蹤控制精度。

技術領域

本發明涉及水下機器人控制技術領域，尤其涉及一種水下航行器及其路徑跟蹤控制方法和裝置。

背景技術

水下物體檢測是人們探索水下領域、維護水下基礎建設、開展水下搜尋救援等活動必不可少的環節。以水下橋墩為例，其長期處于復雜的水文地質中，河水及其裹挾泥沙對水下橋墩的流水沖刷、侵蝕，使得橋墩基礎容易產生各種缺陷，這些缺陷會對橋梁的耐久性和承載能力形成較大的危害，嚴重時甚至可能危及使用安全。不定時地對水下橋墩進行檢測即可避免危害的發生。

目前，水下航行器常被用于進行水下物體自主檢測作業。水下航行器三維路徑跟蹤控制對于水下航行器能否精準完成檢測任務有著重要意義。然而水下環境復雜多變，對水下航行器航線瞬時影響及累積影響較大，現有技術未考慮水下航行器在水下作業受到的時變未知海流干擾對路徑跟蹤影響，以致水下航行器路徑跟蹤控制的精度低，易發生航線偏離甚至撞毀風險，難以滿足水下物體自主檢測任務要求。因此，亟需創新性的設計一種高精度水下航行器路徑跟蹤控制技術。

發明內容

本發明提供水下航行器及其路徑跟蹤控制方法和裝置，用以解決現有技術中水下航行器路徑跟蹤控制精度低，難以滿足水下物體自主檢測任務要求的缺陷，提升水下航行器的跟蹤性能。

第一方面，本發明提供一種水下航行器的路徑跟蹤控制方法，所述方法包括：

獲取用于監測待測物體的期望路徑；

基于所述期望路徑和所述水下航行器的運行參數，確定路徑跟蹤誤差；

預估運動學不確定項；

基于所述路徑跟蹤誤差和所述運動學不確定項，對所述水下航行器進行路徑跟蹤控制；

其中，所述運動學不確定項是所述水下航行器運行狀態下由非零時變橫滾角、攻角和側滑角所引起的非線性干擾。

根據本發明提供的水下航行器的路徑跟蹤控制方法，所述期望路徑是以所述待測物體的軸線為鉛垂線、以1/R為曲率、以L為螺距且以μ為曲線參數的螺旋線；

其中，所述μ是與虛擬導向控制律和時間有關的參量，所述R為所述期望路徑的半徑。

根據本發明提供的水下航行器的路徑跟蹤控制方法，所述期望路徑上的任意點p_t的表達式如下所示：

所述μ的表達式如下所示：

其中，p_t為所述水下航行器在航行t時間時的虛擬目標點，x_H、y_H、z_H分別為p_H的橫坐標、縱坐標和豎坐標，t為時間，為虛擬導向控制律。

根據本發明提供的水下航行器的路徑跟蹤控制方法，所述運行參數包括但不限于：姿態角和重心位置坐標；

所述基于所述期望路徑和所述水下航行器的運行參數，確定路徑跟蹤誤差，包括：

在所述期望路徑上定位所述水下航行器的虛擬目標點；

確定所述虛擬目標點的姿態角以及位置坐標；