[发明专利]水下游动机械臂旋转壳体的能量优化控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种水下游动机械臂旋转壳体的能量优化控制方法及装置，方法包括：1)设计基于广义超螺旋算法和变结构扩张状态观测器的动力学控制器；2)将动力学控制器在每个控制周期输出的期望广义力和力矩按照顺序存储在数据库中，使用核递归最小二乘进行基于数据库数据的预测；3)以数据库数据的预测结果为输入，使用SQP对旋转壳体角度进行优化；4)使用五次多项式插值法，由SQP优化得到的旋转壳体角度计算得到旋转壳体角速度和角加速度，重新执行步骤1)，直至USM完成预设任务为止。装置包括：处理器和存储器。使用本发明中的旋转壳体控制方案，可以起到减少USM运动过程中能量消耗的作用。

技术领域

本发明涉及水下游动机械臂(Underwater Swimming Manipulator,USM)矢量推进模块推力分配技术领域，尤其涉及一种水下游动机械臂旋转壳体的能量优化控制方法及装置，具体是指关于USM旋转壳体的一种优化控制方案，使用提出的控制方案，可以减少USM在运动过程中的能量消耗。

背景技术

水下游动机械臂是一种新型的水下航行器，由连杆和推进器组成，如图1所示。目前使用广泛的水下航行器有遥控航行器(Remotely operated vehicle,ROV)和水下自主航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)，USM与ROV/AUV相比，具有细长的体型，改变自身形状的能力，能够在海底沉船等狭窄的环境内进行作业；并且USM整体可看作是一个浮动机械臂，相较于AUV/ROV上安装的机械臂而言具有更强、更灵活的任务执行能力。

水下航行器在水下工作时有电缆供电和电池组供电两种方式，而USM使用电池组供电。当使用电池组供电时，由于USM的内部空间限制，携带的电池容量较小，为实现更长时间的水下驻留作业，需要考虑能量优化问题。

USM的推进系统由尾部固定推进器和两个矢量推进模块组成，矢量推进模块如图2所示。每个矢量推进模块有两个可旋转推进器(如图2中2d)和一个旋转壳体(如图2中2b)组成，推进器推力的方向由推进器旋转角度和旋转壳体旋转角度共同决定。目前AUV/ROV使用的推进器有固定推进器和可旋转推进器两种，没有与USM旋转壳体类似的结构。

目前国内外针对水下航行器能量优化的研究都以固定推进器和可旋转推进器为研究对象，研究方法有粒子群优化、序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)等优化算法，这些优化算法都是在推力分配阶段进行优化，USM中的旋转壳体是基于USM可变构型的特点设计的一种新的机械结构，需要在运动学阶段给出旋转壳体的角度。

但在实际研究中发现，运动学领域的已有研究中没有能够给出旋转壳体角度的方法。

发明内容

本发明提供了一种水下游动机械臂旋转壳体的能量优化控制方法及装置，本发明设计的USM矢量推进模块是在现有水下航行器推进模块的基础上、结合USM自身特点设计出来的一种新型结构，使用本发明中的旋转壳体控制方案，可以起到减少USM运动过程中能量消耗的作用，详见下文描述：

第一方面，一种水下游动机械臂旋转壳体的能量优化控制方法，所述方法包括：

1)设计基于广义超螺旋算法和变结构扩张状态观测器的动力学控制器；

2)将动力学控制器在每个控制周期输出的期望广义力和力矩按照顺序存储在数据库中，使用核递归最小二乘进行基于数据库数据的预测；

3)以数据库数据的预测结果为输入，使用SQP对旋转壳体角度进行优化；

4)使用五次多项式插值法，由SQP优化得到的旋转壳体角度计算得到旋转壳体角速度和角加速度，重新执行步骤1)，直至USM完成预设任务为止。

其中，所述方法根据历史广义力数据库中的数据预测未来一个控制周期的广义力。

在一种实施方式中，所述变结构扩张状态观测器具体为：