[发明专利]一种游走混合型水下机器人沿斜面直立攀爬行走控制方法

说明书

本发明提出了一种游走混合型水下机器人沿斜面直立攀爬行走控制方法。首先，将水下机器人沿斜面直立攀爬行走的运动模型分解为沿纵轴的前向运动模型以及沿横平面的平面运动模型；然后，获取水下机器人的前向力，同时获取水下机器人的偏航力矩；其次，根据解算出的前向力和偏航力矩，分别计算水下机器人两个水平推进器的推力，各支撑腿所需的前向力以及各支撑腿用于转向所需的切向力，然后得到水下机器人用于前向运动和转向运动所需要的各支撑腿前向力，再根据支撑腿的支撑角，反解求出各支撑腿髋关节的驱动力矩及各支撑腿作用于斜面的垂向力；最后，根据支撑腿作用于斜面的垂向力，计算出垂向推进器的推力值，以保证机器人本体的垂向运动稳定性。

技术领域

本发明涉及水下足式机器人控制领域，具体为一种游走混合型水下机器人沿斜面直立攀爬行走控制方法。

背景技术

随着科学技术的进步和海洋工程及其产业的蓬勃发展，水下机器人成为完成各类水下作业任务的重要工具，其代替人类在提高生产力方面发挥着极为关键的作用。本申请描述的游走混合型水下机器人，依靠六个推进器和六条半圆形刀锋腿间的协同配合，可以实现水下机器人在结构或非结构的环境中行走。为了提高机器人对水下环境的适应能力，游走混合型水下机器人除了需要具备平面直立行走能力外，还需具备在一定斜面上直立攀爬行走能力。直立攀爬行走控制策略是游走混合型水下机器人运动控制策略的重要组成部分，是确保游走混合型水下机器人高效作业的重要环节。具体地，当斜面上存在作业任务时，依靠直立攀爬行走控制方法可以保证游走混合型水下机器人顺利攀爬至目标任务点，并进行任务作业。因此，游走混合型水下机器人直立攀爬行走控制是一个很有实际意义的研究。

发明内容

(1)技术问题

要实现游走混合型水下机器人的直立攀爬行走，需要解决两个方面的控制问题：1)如何保证游走混合型水下机器人以期望的速度和航向沿水下斜面的航路点运动；2)如何协调控制游走混合型水下机器人的六个推进器与六条半圆形刀锋腿，以保证机器人行走的稳定性。

(2)技术方案

首先，将游走混合型水下机器人直立攀爬行走控制分解为水下机器人跟踪期望速度的前向运动控制及在横平面内的参考直线路径跟随控制。在此基础上，将水下机器人前向运动控制及参考直线路径跟随控制所需要的力和力矩来对水下机器人各支撑腿的前向力和各推进器的推力进行分配。

根据本发明的一方面，提供了一种游走混合型水下机器人沿斜面直立攀爬行走控制方法，包括：

将水下机器人沿斜面直立攀爬行走的运动模型分解为沿纵轴的前向运动模型以及沿横平面的平面运动模型；

针对前向运动模型，根据水下机器人期望行走速度，采用比例控制，获取水下机器人的前向力，同时将水下机器人跟随参考直线路径的平面运动模型转化为包含横向误差和航向角误差的级联系统，基于反步思想设计水下机器人控制律，获取水下机器人的偏航力矩；

根据解算出的前向力和偏航力矩，分别计算水下机器人两个水平推进器的推力，各支撑腿所需的前向力以及各支撑腿用于转向所需的切向力，然后根据运动叠加原理得到水下机器人用于前向运动和转向运动所需要的各支撑腿前向力，再根据支撑腿的支撑角，反解求出各支撑腿髋关节的驱动力矩及各支撑腿作用于斜面的垂向力；

根据支撑腿作用于斜面的垂向力，计算出垂向推进器的推力值。

进一步地，针对前向运动模型，根据水下机器人期望行走速度，采用比例控制，获取水下机器人的前向力为：

τ_X＝-X_uu_c+k_p(u-u_c)