[发明专利]一种判别水下机器人姿态稳定的方法

说明书

本发明公开了一种判别水下机器人姿态稳定的方法，其特征是，包括如下步骤：建立水下机器人的载体坐标系，并与地面坐标系进行坐标变换；通过传感器采集船体信息，并根据步骤一得到水下机器人的地面坐标系六自由度参数和系统状态；通过步骤一和步骤二将系统状态方程化处理，方便在MATLAB和Simulink环境下模拟；使用MATLAB对此模型系统进行稳定性分析，判断系统安全运行的工作范围。优点：1）建立水下机器人运动系坐标，有助于分析水下机器人水下运动情况；通过模拟，可以调试出遇到什么样的情况，系统会处于不稳定的状态，帮助设定水下机器人安全运行的工作范围。

技术领域

本发明涉及一种判别水下机器人姿态稳定的方法，属于水下机器人控制技术领域。

背景技术

随着科技不断进步，越来越多的水下机器人降低了水域监测系统的工作成本，扩大水域监测系统的工作范围，提高水域监测系统的工作性能，实现了对大区域水域的低成本、高效率、智能化的可靠监测。水下机器人工作在复杂的水域中，需要在水里保持稳定的姿态来实现一系列的操作，但是工作在复杂海洋环境中，很难建立精确的动力学数学模型，水下机器人的各种任务要求其具有较高的运动稳定性和控制性能，因此水下机器人的运动稳定性至关重要。有必要有一种可靠的判定水下机器人姿态稳定的技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供判别水下机器人姿态稳定的方法，能够更好的判定水下机器人在水中的姿态，使得水下机器人在遇到复杂水域情况时，更加能够保持姿态不会倾覆，能够固定维持在某一地点，完成较长时间的探测。

为解决上述技术问题，一种判别水下机器人姿态稳定的方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：建立水下机器人的载体坐标系，并与地面坐标系进行坐标变换；

步骤二：通过传感器采集船体信息，并根据步骤一得到水下机器人的地面坐标系六自由度参数和系统状态；

步骤三：通过步骤一和步骤二将系统状态方程化处理，方便在MATLAB和Simulink环境下模拟；

步骤四：使用MATLAB对此模型系统进行稳定性分析，判断系统安全运行的工作范围。

进一步地，所述运动稳定性分析：Lyapunov指数可以通过动力学方程获得，其计算公式为：

其中λ表示Lyapunov指数，x表示函数f(x)的自变量，n表示迭代次数；

进一步地，所述系统状态包括12个系统状态分别为：载体坐标系相对地面坐标系的x，y，z位置，θ，ψ表示x，y，z轴上的俯仰偏航角，定义u，v，w在x，y，z轴上的矢量分量，定义p，q，r为分别绕x，y，z轴旋转的角速度。

进一步地，所述12个系统状态方程化如下：

在分析6自由度刚体的运动时需定义两个主坐标系，选择载体坐标系的原点ob作为物体对称的在主体对称的主平面上，通常被选择在以主体对称的主平面内，体轴Xb、Yb、Zb通常选择符合物体的惯性主轴，通常定义为：

Xb：纵轴，Yb：横轴，Zb：垂直轴

载体坐标系与地面坐标系相关，相对于另一个坐标系的方向可以通过旋转矩阵获得，坐标系x,y,z轴的单位向量用i_a，j_a，k_a表示，得式：

容易证明载体坐标系变化后的定位与地面坐标系相关，通过载体坐标系关于地面坐标系简单旋转后实现，定义矩阵S(v')使得v'×w＝S(v')w，即：

获得：