[发明专利]一种基于分布式预测控制的多水下机器人系统协调控制方法

说明书

本发明公开了一种基于分布式预测控制的多水下机器人系统协调控制方法，属于机器人技术领域，建立多水下机器人系统、数据采集服务器和控制策略服务器，解决了在带有静态障碍物的受限工作空间中，多水下机器人系统的分布式协调控制策略的技术问题，本发明提出了一个分布式非线性模型预测控制系统^NMPC，实现在受限工作空间中让^N个水下机器人系统牢固地抓住一个目标物体，通过利用机器人与物体之间的耦合动力学并使用一定的负载分配系数，将水下机器人从初始位置导航到最终位置，通过协调控制策略控制水下机器人将其沿着在工作空间中计算出的路径运动。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于分布式预测控制的多水下机器人系统协调控制方法。

背景技术

水下机器人已广泛用于各种应用，例如海洋科学、船舶维护，油气设施检查等。多个水下机器人系统协同控制，对群体控制方法要求高效准确。另一方面，多水下机器人工作条件苛刻，最困难的是严格的通信约束要求，由于水下声学设备的带宽和通信速率有限，因此在水下环境中采用基于通信的控制结构可能会导致严重的性能问题。此外，由于声音通信设备的带宽较窄，多水下机器人系统的个体数量受到严格限制。

对水下机器人协调控制分为集中式控制策略和分布式控制策略。集中式控制策略效率高，但是稳定性较差，随着水下机器人的数量增多，系统的复杂性也迅速增加。而分布式控制策略通常依靠于多水下机器人之间的数据通信，通过在多水下机器人之间传输数据来协调实现工作空间速度，但是由于通信带宽的限制，参与协同水下工作的水下机器人数量也受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式预测控制的多水下机器人系统协调控制方法，解决了在带有静态障碍物的受限工作空间中，多水下机器人系统的分布式协调控制策略的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于分布式预测控制的多水下机器人系统协调控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立多水下机器人系统、数据采集服务器和控制策略服务器，多水下机器人系统包括多个水下机器人系统，每一个水下机器人系统均设有水下机器人传感器组，水下机器人传感器组包括惯性测量单元IMU，超短基线定位系统USBL和多普勒测速仪DVL，水下机器人传感器组将采集到的数据全部传输到数据采集服务器进行数据融合，最终生成水下机器人的位置信息和速度信息；

步骤2：在控制策略服务器中建立工作区模块、约束模块、导航模块、控制策略生成模块和数学建模模块；

步骤3：数据采集服务器预设采样时刻，在每一个采样时刻，数据采集服务器就采集一次水下机器人传感器组的数据，并生成水下机器人的位置信息和速度信息，数学建模模块读取水下机器人的位置信息和速度信息，根据位置信息和速度信息建立每个水下机器人系统的分布式动力学数学模型；

步骤4：工作区模块对障碍物、水下机器人和工作空间均采用球体世界表示法进行球体建模，生成工作空间W：

步骤A1：设定B(x_O,r₀)是一个封闭的球体，覆盖物体的体积，半径为r₀；

步骤A2：定义以每个水下机器人系统的末端执行器为中心的闭合球体该闭合球体涵盖了所有可能配置的水下机器人体积；

步骤A3：定义目标物体，目标物体上的抓取点之间的距离至少为

步骤A4：定义位于半径为的x₀处的球区域B(x_O,R)，在球区域B(x_O,R)中包含了多水下机器人系统的体积和目标物体的体积；

步骤A5：将球区域B(x_O,R)中存在的M个静态障碍定义为由其中是中心，是障碍物π_m的半径，M取值正整数；