[发明专利]全驱动自主水下机器人结构及回收三维路径跟踪方法

说明书

本发明公开了一种全驱动自主水下机器人结构及回收三维路径跟踪方法，提供一种三段式回收三维路径跟踪方法，以及一种用于机器人回收直线归位阶段与直线跟踪阶段的改进的非奇异终端模糊滑模控制算法。所采用的三维路径跟踪方法，将回收路径分为三段，将每段曲线转化为空间离散点序列对其跟踪控制。所采用的改进的非奇异终端模糊滑模算法，在滑模控制中，设计分段切换函数，实现多个滑动模态，并通过模糊算法对滑模增益进行实时优化，使其能快速、平稳地追踪目标点，增强回收三维路径跟踪性能，提高回收成功率。

技术领域

本发明涉及自主水下机器人，尤其涉及全驱动自主水下机器人结构及回收三维路径跟踪阶段方法，属于机器人控制技术领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，自主式水下无人航行器(AUV)作为探索海洋空间的有力工具之一，在军事和科学研究方面起着越来越重要的作用。未来的AUV需要更长的水下工作时间、更大的自主性、更隐蔽的情报收集能力、更高速的数据分析速度以及更强大的通信能力。而这些目标的实现主要受到自身携带能源和水下通信两个因素的限制。由于几十年来电池技术一直没有获得突破性进展，AUV的水下工作时间仍然很短，需要频繁的回收和布放。此外水声通信速率较低，AUV难以及时回传所收集到的数据。两者均极大增加了AUV的使用成本，降低了其工作效率。因此，对AUV的回收对接研究显得尤为重要。在回收过程中，AUV路径跟踪控制非常关键，尤其在复杂的海洋环境下，探究有效的回收路径跟踪控制方法，完成回收任务，成为国内外研究的热点，而且在军事、科研等方面具有现实意义。

全驱动自主水下机器人的执行机构一般采用多推进器操纵的设计方式，通过改变多推进器的推力来实现自主水下机器人的纵向运动，转艏运动以及升沉运动。由于全驱动自主水下机器人自身运动具有高度的非线性以及强耦合性，并且在水下航行时容易受到海流以及信号传输干扰等问题，这些因素给运动控制带来很大难度。这些都成为全驱动AUV三维空间跟踪控制器设计的难点。

目前，国内外就三维路径的跟踪问题研究的较少，研究多针对于水平面、垂直面的二维平面控制。本发明首先将三维路径分解为均匀的离散点序列，与传统的航路点跟踪方法相比，本方法对于曲线点的规划及选取更加快捷、平滑。在控制器的选择上，由于全驱动自主水下机器人模型的高度非线性与不确定性的特点，本发明采用改进的非奇异终端模糊滑模控制算法。目前应用于自主水下机器人三维路径跟踪控制多为模糊控制、滑模控制等智能控制算法。模糊控制算法虽然具有鲁棒性强，抗干扰性强等特点，但是模糊控制器参数难以直接确定；滑模控制算法可以不依赖系统模型，但系统本身所带来的抖振问题难以消除，影响了系统的控制精度。申请号为“201210490435.X”的专利文献公开了一种“用于喷药移动机器人的轨迹跟踪滑模控制系统和控制方法”，滑模控制带来的抖振问题没有得到解决，跟踪精度较差；申请号为“201610835447.X”的专利文献公开了“一种基于自适应滑模控制的UUV路径跟踪方法”，其将滑模控制与自适应控制相结合，但控制器仍然存在对机器人惯量及不确定性的依赖。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全驱动自主水下机器人结构及回收三维路径跟踪方法，应用于全驱动自主水下机器人回收控制过程，提供全驱动自主水下机器人回收直线归位与直线跟踪阶段的三维路径跟踪控制方法，以及提供一种全驱动自主水下机器人回收直线归位阶段与直线跟踪阶段的改进的非奇异终端模糊滑模控制算法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：