[发明专利]视觉伺服的仿生水下机器人悬停控制方法、系统和装置

说明书

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种视觉伺服的仿生水下机器人悬停控制方法、系统和装置，旨在为了解决现有技术中缺少仿生水下机器人的悬停控制方法，而现有悬停控制方法无法实现仿生水下机器人悬停控制的问题。本发明通过图像采集装置采集目标物体的图像数据，得到目标物体与仿生水下机器人的实际距离和目标物体的实际图像特征；通过悬停控制器将图像特征误差及距离误差空间映射至期望速度空间，基于实际速度与期望速度之间的速度误差，通过速度控制器获取仿生水下机器人的动力学控制量，根据动力学控制量对仿生水下机器人进行实时悬停控制。本发明能够稳定控制仿生水下机器人实现自主悬停，且具有一定的抗干扰能力。

技术领域

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种视觉伺服的仿生水下机器人悬停控制方法、系统和装置。

背景技术

水下作业机器人在执行很多实际的水下作业任务时，如水下目标监控、水下设施维修等，往往要求其能够进行自主悬停。据报道，悬停模式在水下作业机器人一次典型水下作业任务中占比高达35％。而水下作业机器人作为一种水中自由悬浮设备，并不能够像陆地上机器人那样能够自然而然地稳定在目标前方，为实现自主悬停往往需要克服未知水动力对其造成的干扰。因此，设计一种有效且实用的仿生水下机器人悬停控制方法显得十分必要。

现有技术采用基于视觉的水下机器人悬停控制方法，相较于依靠定位传感器(惯性器件、深度传感器等)来进行悬停控制的方法，基于视觉的悬停控制方法具有成本低、精度较高等特性。基于视觉的水下机器人悬停控制问题可描述为：在视觉可观测的水下目标周围，基于视觉信息控制水下作业机器人与目标之间保持稳定的相对位姿关系。对于基于视觉的水下机器人悬停控制问题,国内外学者也开展了一些研究工作，提出了基于视觉的水下机器人悬停控制方法：例如马克等人通过假设主动控制系统可以将位置误差保持在较小水平来简化传感问题，机器人位置通过图像滤波和特征展开进行估计，并通过三维位置误差和航向误差反馈实现水下机器人悬停控制；高等人设计了一种基于图像的自适应神经网络视觉伺服悬停控制器，并基于李雅普诺夫稳定性判据证明了视觉伺服误差和神经网络权值矩阵的归一化最终有界性，最后通过仿真验证了控制器的有效性。

现有技术中对水下机器人悬停控制方法的研究已取得较大进展，但针对新型仿生波动鳍推进水下机器人的悬停控制方法很少涉及，因其控制量及运动特性与传统水下机器人差异较大，现有方法不能对其进行悬停控制，因此急需一种针对新型仿生水下机器人的悬停控制方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中缺少新型仿生水下机器人的悬停控制方法，而现有水下机器人悬停控制方法无法实现仿生水下机器人悬停控制的问题，本发明提出了一种视觉伺服的仿生水下机器人悬停控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤S100，设置仿生水下机器人的悬停位置与目标物体的距离作为期望距离；设置所述目标物体在采集图像中的图像平面坐标作为期望图像特征；所述采集图像通过设置于所述仿生水下机器人上的图像采集装置采集得到；

步骤S200，基于T_n时刻包含目标物体的图像数据，通过图像定位和测距技术获取T_n时刻所述目标物体在所述仿生水下机器人随体坐标系下的三维坐标和所述目标物体与所述仿生水下机器人的实际距离，并将所述目标物体在所述设定侧图像中的图像平面坐标作为实际图像特征；

步骤S300，基于所述期望图像特征和所述实际图像特征间的图像特征误差，通过基于PID算法建立的第一悬停控制器获取T_n时刻第一期望速度；基于所述期望距离和所述实际距离间的距离误差，通过基于PID算法建立的第二悬停控制器获取T_n时刻第二期望速度；基于所述第一期望速度和所述第二期望速度输出T_n时刻最终期望速度；