[发明专利]一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法

说明书

本发明涉及一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法，包括以下步骤：通过安装在水下机器人前下方的声学测距传感器采集到高度信息，构成最优目标运动轨迹，建立水下机器人垂直面运动学模型，然后依据水下机器人垂直面运动加减速性能和最大速度/角速度限定采样空间在一个可行的滑动范围内，采样多组前向速度和纵倾角速度目标值，并模拟水下机器人在这些目标值下一定时间内的运动轨迹。对多条运动轨迹进行评价，根据与实际地形误差绝对值之和最小为标准选取最优轨迹，其所对应的运动目标时间序列值来作为水下机器人的目标值，发送给底层运动控制器来驱动水下机器人的垂直面运动，从而实现水下机器人近底地形跟踪运动目标值的最优规划。

技术领域

本发明涉及一种水下机器人(Autonomous underwater vehicle，简称为AUV)近底地形跟踪的目标值规划方法，属于水下机器人规划与控制技术领域。

背景技术

水下机器人常应用于近海底的地形测绘、光学拍照、声学探测等作业，而水下近底微地形复杂多变给水下机器人本体的操纵性和垂直面运动控制带来较大的技术挑战，且水下机器人是具有非线性、强时变、强耦合、大时延、多自由度的复杂系统，水动力参数的冗杂性和受风、浪、流等的随机扰动，使得水下机器人的高精度稳定控制难上加难。因此，水下机器人的垂直面运动控制技术研究具有重要的实际意义和应用价值。

传统的运动控制方式是人为提前设置垂直面航行控制的目标深度或高度值，然后发送给底层运动控制器进行闭环控制，驱使实际深度或高度逐渐收敛到目标值，存在的缺点是目标值随实际地形不断变化，当遇到地形高程频繁起伏变化时，容易导致水下机器人经常处于过渡过程的变化过程中，超调量和过渡过程时间等垂直面运动性能指标会恶化；而基于搭载在水下机器人前下方的测高传感器提前测得的地形信息，构造评价函数优化运动目标值，可提前调整水下机器人的目标值，起到预先调节作用，能有效提升垂直面的运动控制性能。

因此，研究实用化的水下机器人运动目标值规划方法，解决目标值优化问题，提高垂直面运动控制能力，是目前水下机器人近底跟踪中一个重点需要解决的实际问题。

发明内容

基于上述背景，本发明针对现有先进规划方法的不足，提出了一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法，可以实现机器人快速的垂直面运动目标值优化，提高了水下机器人的垂直面运动性能。

一种水下机器人近底地形跟踪的目标值规划方法，包括以下步骤：

通过安装在水下机器人前下方的声学测距传感器采集到距底距离信息，构成最优目标运动轨迹；

建立水下机器人垂直面运动学模型；

依据水下机器人垂直面运动加减速性能和最大速度/角速度限定采样空间在一个可行的滑动范围内，采样多组前向速度和纵倾角速度目标值，并模拟水下机器人在这些目标值下一段时间内的多组运动轨迹；

对多条运动轨迹进行评价，根据与实际地形误差绝对值之和最小为标准选取最优轨迹；

选取最优轨迹所对应的运动目标距离时间序列值来作为水下机器人的目标值，发送给底层运动控制器来驱动水下机器人的垂直面运动，从而实现水下机器人近底地形跟踪运动目标值的最优规划。

所述目标距离时间序列为水下机器人利用前下方安装的声学测距传感器实测的前方多拍的距底距离值，形成如下的距离时间序列集合：

H＝{h₁,h₂,……,h_n}

其中，h为实测的前方各拍的距底距离值；

由前方各拍距离值和当前位置可计算出相对应的位置值：

其中，x和z表示惯性坐标系下前向和垂向位置，k表示采样点，为声学测距传感器与水下机器人水平面的安装偏角，θ表示当前纵倾角。