[发明专利]一种适用于变结构水下机器人的运动控制方法

说明书

本发明涉及水下机器人的运动控制技术领域，尤其涉及变结构水下机器人运动控制方法，实现变结构水下机器人在机械臂扰动条件下的高精度航迹控制。本发明从速度滤波角度分析机械手扰动，采用基于相邻时刻测量相关性的速度滤波技术，统一机械手扰动和变结构水下机器人本身扰动的观测模型，降低扰动分析对动力学模型的依赖性，再根据速度反馈测量和目标航迹误差权重，考虑变结构水下机器人航行能力约束，实时计算变结构水下机器人的目标航向和目标速度等航迹控制量，实现变结构水下机器人在机械手扰动条件下的高精度航迹控制。

技术领域

本发明涉及水下机器人的运动控制技术领域，尤其涉及变结构水下机器人运动控制方法，实现变结构水下机器人在机械臂扰动条件下的高精度航迹控制。

背景技术

在海洋工程、海洋石油工业、海洋考古等领域，水下机器人得到广泛应用。水下机器人主要包括遥控水下机器人和自主水下机器人，遥控水下机器人依托脐带电缆作为供电链路和通信操控链路，同时遥控水下机器人配置机械手作为水下作业工具，承担水下固定目标抓取、海洋设备维修、石油管线检测等水下作业任务，遥控水下机器人的优点是作业能力强，缺点是受到脐带电缆的约束，作业半径有限；自主水下机器人本身携带能源，不依托脐带电缆供电和通信，具有搭载水文、声学、光学等多种载荷的能力，承担水下目标搜寻、海底地形地貌测绘、海洋水文调查等探测任务，自主水下机器人的优点是不受脐带电缆的约束，作业半径较大，缺点是自身携带能源，对本体流体线型要求较高，无法搭载破坏流体线型的机械手，作业能力较弱。与传统水下机器人不同，变结构水下机器人同时具有自主水下机器人、遥控水下机器人的优点，变结构水下机器人是搭载具有一定作业能力的机械手的新型水下机器人，它的技术特征是自身携带能源、无脐带电缆约束、低阻力流线外形、具有变形能力。当处于航行区时，变结构水下机器人回收机械手，变形为自主水下机器人形态进行航行；当到达作业区时，变结构水下机器人释放机械手，变形为遥控水下机器人形态进行作业。，而变结构水下机器人运动控制是变结构水下机器人的关键技术问题，其中变结构水下机器人控制技术的难点是如何解决变结构水下机器人在机械手扰动条件下的高精度航迹运动控制问题。传统机械手的扰动分析方法是从机械手传感器数据或机械手动力学模型角度来估计机械手对变结构水下机器人的运动扰动，它的缺点是严重依赖机械手的传感器和机械手的动力学模型，制约了变结构水下机器人控制方法的应用范围和鲁棒性。

发明内容

变结构水下机器人从航行区域到达作业模式后，需要将放置在机器人内部的机械手摆动到机器人艏部。与传统水下机器人采用静止作业模式不同，变结构水下机器人采用边航行边作业的模式来提高作业效率，面临的最大技术难题是如何克服机械手摆动对变结构水下机器人的运动控制扰动。传统机械手的扰动分析方法是基于机械手传感器数据或机械手动力学模型来估计机械手对变结构水下机器人的运动扰动，本发明创新地从速度滤波角度分析机械手扰动，采用基于相邻时刻测量相关性的速度滤波技术，统一机械手扰动和变结构水下机器人本身扰动的观测模型，降低扰动分析对动力学模型的依赖性，再根据速度反馈测量和目标航迹误差权重，考虑变结构水下机器人的航行能力约束，实时计算变结构水下机器人的目标航向和目标速度等航迹控制量，实现了变结构水下机器人在机械手扰动条件下的高精度航迹控制。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种适用于变结构水下机器人的运动控制方法，包括以下步骤：

1)通过不同传感器分别采集变结构水下机器人的运动数据，得到变结构水下机器人在目标航迹坐标系的预测速度；

2)根据变结构水下机器人的预测速度，分别计算变结构水下机器人在相邻时刻的速度测量新息误差、量测矩阵协方差以及量测雅各比矩阵；

3)根据速度测量新息误差和量测矩阵协方差，通过离散卡尔曼滤波器得到变结构水下机器人在目标航迹坐标系的估计速度；

4)根据变结构水下机器人的估计速度，分别计算变结构水下机器人的目标航向角、目标速度、目标推力、目标转艏力矩；