[发明专利]一种水下机器人的推力分配器及推力分配方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人的推力分配器及推力分配方法，涉及水下技术领域，该方法分别对水平纵向期望力、水平横向期望力和转艏力矩在各个水平推进器上进行单自由度力或力矩分配得到三个初始推力，然后利用三个待求系数对三个初始推力进行加权的水平推力合成，然后基于水下机器人当前作业任务对各个自由度的运动需求对应的指示各个待求系数取得更大取值的期望优先级的目标函数，在推进器的推力范围所确定的约束条件下求解得到各个推进器的指令推力值；该方法从水下机器人作业任务需求考虑来进行推力分配，通过适当牺牲某些自由度上的控制性能以优先保证关键自由度上的控制性能，能够保证作业任务能够顺利完成。

技术领域

本发明涉及水下技术领域，尤其是一种水下机器人的推力分配器及推力分配方法。

背景技术

水下机器人被广泛应用于海洋资源开发、深海打捞作业、核电检测等领域。水下机器人搭载有推进器以实现运动控制，目前常见的配置方式是水下机器人搭载有4台水平推进器及2台垂直推进器，控制系统通过调节6台推进器转速实现水下机器人的深度、水平面位置及航向的运动控制。

控制系统在调节6台推进器转速时，需要根据控制算法计算出需求力/力矩，然后对水下机器人各推进器的推力大小进行合理的推力分配，从而使推进器产生的合成力/力矩满足水下机器人控制所期望的力/力矩。

但是水下机器人的水下作业环境较为复杂，会受到各种影响，当水下机器人在强扰动环境或极限运动的任务工况下，通过目前的推力分配方法驱动的推进器产生的推力可能达不到控制系统输出的期望推力，此时控制系统与推力分配构成了一个非常复杂的非线性系统，很难估计水下机器人的运动趋势，容易导致作业任务失败。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种水下机器人的推力分配器及推力分配方法，本发明的技术方案如下：

一种水下机器人的推力分配方法，该方法包括：

确定水下机器人的垂向期望力τ_dz、水平纵向期望力τ_ldx和水平横向期望力τ_ldy和转艏力矩τ_ldn，其中水平纵向是沿着水下机器人艏部向前的方向，水平横向是水平面上垂直于水平纵向朝向水下机器人右侧的方向，垂向是垂直于水平面的方向，水下机器人搭载有若干个水平推进器和垂直推进器；

对水平纵向期望力τ_ldx在各个水平推进器上进行单自由度推力分配得到各个水平推进器的第一初始推力T_ldx，对水平横向期望力τ_ldy在各个水平推进器上进行单自由度推力分配得到各个水平推进器的第二初始推力T_ldy，对转艏力矩τ_ldn在各个水平推进器上进行单自由度力矩分配得到各个水平推进器的第三初始推力T_ldn；

构建每个水平推进器的水平推力合成公式为T_ld＝k₁×T_ldn+k₂×T_ldx+k₃×T_ldy，其中，k₁、k₂、k₃均为[0,1]范围内的待求系数，并根据水下机器人当前作业任务对各个自由度的运动需求确定目标函数，目标函数指示各个待求系数取得更大取值的期望优先级，水平纵向移动的运动需求越大、k₂的期望优先级越大，水平横向移动的运动需求越大、k₃的期望优先级越大，艏部转动的运动需求越大、k₁的期望优先级越大；

基于目标函数在推进器的推力范围所确定的约束条件下求解各个水平推进器的水平推力合成公式，得到待求系数k₁、k₂、k₃的取值，并代入每个水平推进器的水平推力合成公式得到每个水平推进器的指令推力值；