[发明专利]一种水下巡检机器人的轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种水下巡检机器人的轨迹跟踪控制方法。包括如下步骤：（1）、预设水下巡检机器人轨迹跟踪的参考轨迹，参考轨迹用导航路径规划算法得到从起始点到目标点的最优路径，将其作为机器人轨迹跟踪的预设参考轨迹；（2）、结合参考轨迹与运动学模型设计轨迹跟踪的运动学控制器；（3）、对水下巡检机器人作受力分析，建立动力学模型，并设计轨迹跟踪的动力学控制器；（4）、将运动学控制器的控制值作为动力学控制器的输入，得到满足轨迹跟踪所需的推力及转矩，实现水下巡检机器人平滑稳定的轨迹跟踪控制。本发明通过设计动态的目标函数，不仅解决了速度跳变问题，还减小了实际轨迹与参考轨迹之间的滞后，在目标函数中加入的最短跟踪步长优化函数项，减小了实际轨迹的路径长度，进而降低了轨迹跟踪能耗；此外还考虑实际水下环境对轨迹跟踪的影响，最终实现了平滑稳定的轨迹跟踪控制。

技术领域

本发明属于机器人轨迹跟踪控制技术领域，具体涉及一种水下巡检机器人的轨迹跟踪控制方法。

背景技术

自主水下机器人是海洋世界探索、海底资源开发及完成其他各项水下作业的重要工具。水下巡检机器人作为机器人的一个重要分支，在海底资源勘测、水下目标探测、水下管道检查、大坝裂缝检测等任务中发挥着重要的作用。三维水下环境中的轨迹跟踪控制问题是水下巡检机器人研究领域的热点及难点问题。水流等干扰因素的存在，对机器人的精确建模增加了难度，同时高度非线性和交叉耦合的系统动力学和不可预测的复杂水下环境，给控制器的设计带来相当大的困扰和不确定性。近年来，国内外研究机构在该课题上投入了大量精力，取得的科研成果也为其实际应用提供了重要的理论依据，进一步促进了水下机器人的发展与进步。但是，传统轨迹跟踪控制算法已不能满足当今水下机器人应用拓展的需要，例如反演控制、滑模控制和神经网络控制等，依然存在速度跳变、模型参数不确定以及控制律复杂度高等问题，并且没有考虑真实轨迹与期望轨迹间的滞后和轨迹跟踪能耗等问题。因此，实现水下机器人平滑稳定的轨迹跟踪控制具有重要的研究价值。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于改进模型预测控制的水下巡检机器人轨迹跟踪控制方法。既能解决速度跳变问题，且能减小实际轨迹与参考轨迹之间的滞后和降低轨迹跟踪能耗；实现了水下巡检机器人平滑稳定的轨迹跟踪控制。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种水下巡检机器人的轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

(1)、预设水下巡检机器人轨迹跟踪的参考轨迹，参考轨迹用导航路径规划算法得到从起始点到目标点的最优路径，将其作为机器人轨迹跟踪的预设参考轨迹；

(2)、结合参考轨迹与运动学模型设计轨迹跟踪的运动学控制器；

(3)、对水下巡检机器人作受力分析，建立动力学模型，设计轨迹跟踪的动力学控制器；

(4)、将运动学控制器的控制值作为动力学控制器的输入，得到满足轨迹跟踪所需的推力及转矩，实现水下巡检机器人平滑稳定的轨迹跟踪控制。

上述步骤(2)中结合参考轨迹与运动学模型设计轨迹跟踪的运动学控制器步骤如下：

(2a)、结合参考轨迹与运动学方程建立轨迹跟踪的离散状态空间模型，具体算法如下：