[发明专利]水下机器人控制系统及动力定位方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人控制系统及动力定位方法，提供一种能够实现浮游和爬行两种功能的模块化控制系统，以及一种能够提高水下机器人稳定性的基于自适应无迹卡尔曼滤波状态观测器和多变量、多模态快速非奇异终端滑模控制器的水下机器人动力定位方法。所采用的自适应无迹卡尔曼滤波算法，在外界干扰、加速度的物理特性和人为操纵等因素影响的情况下跟踪滤波效果更好，关于不确定模型的鲁棒性较好，状态估计精度高；使得水下机器人在推进器推力范围内能够更加快速、平稳地到达指定地点并且在靠近目标位置附近区域，推力补偿可以适当减小，以便水下机器人可以进行微小调节，确保定位精度。

技术领域

本发明涉及一种检测与作业水下机器人，尤其涉及一种水下机器人控制系统及动力定位方法，属于机器人技术领域。

背景技术

随着陆地资源的枯竭，海洋资源的开发利用对人类发展和社会进步起着巨大的推动作用。水下机器人作为开发海洋的手段之一，一直得到广泛的关注和研究。近几年来，国内外多数水下机器人只有浮游能力或爬行能力，能够实现浮游和爬壁的两种模式的水下机器人较为少见。水下检测与作业机器人，是一种新颖的模块化、多功能、带缆遥控水下机器人，可以在浮游和爬行模态之间自由切换，并进行水下作业，被广泛应用于水下观察、浮游勘察、海底勘探、水下结构检修、海底管线检测以及水下安装等作业，已经成为海洋工程水下结构安全检测及维护的关键装备。

随着水下机器人的研究与发展，水下机器人的功能已经不仅仅局限于在水下低速或高速航行，而且需要具有如：悬停、旋转及爬潜等更高的机动性能。在水下机器人执行任务的过程中，不但要求水下航行器在环境扰动作用下按照预定的轨迹运动，而且在许多情况下需要利用水下机器人对目标物进行更细致的观察和作业，这就需要水下机器人相对于目标物的位置保持不变，即要求水下机器人具有能够抵抗环境扰动的动力定位能力。由于动力定位系统具有不受水深限制，投入和撤离迅速等优点并且可以实现上述的精确的机动性能。因此，为使水下机器人在深海中具有更强的能力，研究水下机器人的动力定位技术是十分有必要的。

随着计算机技术、GPS定位技术及通讯传感技术的快速发展，远程智能水下结构物检测机器人在复杂水下环境中的观察能力、顶流作业能力、高精度的运动控制及定位能力等均需要进一步提高，同时通过改善水面支持系统与水下观察作业系统之间的人机交互界面，加大数据处理容量，全面提高水下结构物检测机器人操作控制水平和操作性能是发展趋势之一。结合所研制的新型水下检测与作业机器人，基于流体动力学仿真法建立动力学模型，进行六自由度动力定位分析。通过传感器获得ROV的位置和艏向，采用自适应无迹卡尔曼滤波算法(AUKF)实时估计水下机器人的状态，并采用多变量、多模态快速非奇异终端滑模控制(FNTSMC)对推力予以补偿，以减小由波浪等随机带来的影响，根据定位误差设计力和力矩分配策略。该方法具有良好的动力定位效果，并且在受扰动后可以迅速调整动力分配策略，使得ROV能够迅速的收敛到目标点。申请号为200310105200,名称为“一种分布式水下机器人控制系统”，它仅仅采用了一路RS-485网络通信，可靠性低，数据传输量也少；申请号为201310357116.6名称为“一种浅水用小型水下机器人甲板的控制装置”，没有紧急拍停按钮，遇到特殊情况处置不方便，也没有配备平板电脑，不能实现移动监控机器人，不方便其他人员观察机器人作业。申请号为“201410090281.4”的专利文献公开了一种“船舶动力定位系统的控制方法及其控制系统”，但所采用的PID控制算法收敛性较差，使得船舶接近目标点较慢，并且容易发生振荡；申请号为“201510016643.X”的专利文献公开了“一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法”，其改进强跟踪滤波状态观测器关于不确定模型的鲁棒性较差，状态估计精度不高，容易出现发散等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下机器人控制系统及动力定位方法，提供一种能够传输多种信号，带有急停按钮，控制台视频显示，更可靠的安全报警模块，可以实现浮游和爬行两种功能的模块化控制系统，以及一种能够提高水下机器人稳定性的基于自适应无迹卡尔曼滤波状态观测器和多变量、多模态快速非奇异终端滑模控制器的水下机器人动力定位方法。