[发明专利]一种水下机器人及其稳定性分析及结构优化的应用方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人及其稳定性分析及结构优化的应用方法，包括载体装置、摄像及照明装置、控制与导航装置、驱动装置部分，主体采用鱼雷式结构，控制与导航装置放置在其内部；在主体结构两端和尾翼搭载驱动装置，所述摄像及照明装置固定在水下机器人前端；通过光纤、无线数传天线与主控端的控制单元通过主控数传设备相互配合协调，实现两种作业模式；处于航行模式的水下机器人快速灵活直航运动，悬停作业模式极大增加水下机器人的悬停稳定性以提高作业的精准和准确；在水下机器人悬停阶段，将两侧水平推进器扭转为垂直推进器，实现精准悬停，尾翼扭转为水平推进器以抵消湍流影响，引入李雅普诺夫指数量化分析获得的控制参数。

技术领域

本发明具体涉及一种水下机器人及其稳定性分析及结构优化的应用方法，属于机器人技术领域。

背景技术

近年来，作业型水下机器人得到了国内外学者和研究机构的广泛关注。机器人在水下悬停或运动时，容易受到海流等外界干扰的影响，难以保持姿态稳定及实现精准作业，通过机械结构设计和控制力矩输入可以提高系统自身的稳定性。然而，自身稳定性差的水下机器人难于保持航向和定深，须通过频繁的调整控制输入力矩来保持期望的航向和深度，这样将会增加航行阻力及系统的能耗，甚至失控。自身稳定性过强的系统,又使得系统的机动性降低。因此，在机器人的设计过程中，如何合理的设计系统机械结构和控制输入之间关系，对于研究系统的稳定性和机动性具有重要的意义。

水下机器人的运动稳定性是指其受到海流等干扰后，受扰的运动参数能否自行返回到初始运动状态的能力。目前针对稳定性研究主要有两种方法：一种是Routh-Hurwitz(1875， 1895)提出通过判断系统的特征根是否在左半平面来判定系统是否稳定。潜伟建等人采用古尔维茨判别法判断水下机器人平面扰动运动微分方程的特征方程式根的实部符号，进行直航运动稳定性分析。然而，这种方法并没有针对具体设计参数和控制参数，对稳定性进行分析；另一种是李雅普诺夫直接法，该方法不需要求解动力学方程，通过构造李雅普诺夫函数定性分析系统的稳定性，目前被广泛应用于水下机器人等非线性系统的运动稳定性分析。Joyjit等人基于滑模控制方法对蛇形机器人进行速度跟踪和头部角控制，通过Lyapunov 稳定性分析证明了系统在有限时间内的稳定性。李雅普诺夫稳定性理论分析多自由度、强耦合的复杂非线性系统稳定性时存在着难以构造出适合的函数，这依然是当前的难点问题。特别是，当进行机械设计和控制优化时，定性的分析无法给出量化分析指标，难以在稳定性和机动性方面给出定量的分析。因此，本文采用李雅普诺夫指数法量化分析水下机器人悬停阶段的运动稳定性。该方法与李雅普诺夫直接法相比，主要优点在于其可构建性，从而使得水下机器人悬停运动稳定性分析成为可能，同时本文优化系统机械结构来提高悬停运动稳定性，增加水下机器人摄像时的清晰度、准确度，及运动的灵活度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是：一种水下机器人，采用李雅普诺夫指数方法建立系统参数与系统悬停运动稳定性之间的量化关系，进而优化系统机械结构来提高悬停运动稳定性，增加水下摄像时的清晰度、准确度、灵活度。

为了实现上述发明目的，本发明采用的方案为：

一种水下作业机器人，包括载体装置、摄像及照明装置、控制与导航装置、驱动装置部分。主体采用鱼雷式结构，控制与导航装置放置在其内部，使得水下机器人能够执行计划指标。在主体结构两端和尾翼搭载驱动装置，所述摄像及照明装置固定在水下机器人前端。

进一步地载体装置包括耐压舱、耐压前罩。耐压舱采用亚克力材料和ABS工程塑料，新颖精简的流线型设计。耐压前罩由玻璃钢制成，便于摄像装置获取图像信息。耐压前罩、前端耐压舱依次布置。

进一步地控制与导航装置置于耐压舱内部，采用STM32F407作为主控，配合MS5837深度传感器，MPU6050和AK8975姿态传感器等。算法部分，使用PID控制器进行处理。