[发明专利]一种基于模糊滑模算法的水下机器人自主避障控制方法

说明书

本发明公开一种基于模糊滑模算法的水下机器人自主避障控制方法，属于水下机器人运动规划和轨迹跟踪技术领域，该方法在水下机器人通过加速、匀速和减速完成既定的规划路线基础上增加了洋流干扰、洋流测速以及避障部分。当遇到障碍物时，水下机器人控制系统根据水下机器人与障碍物的距离以及障碍物的大小，通过模糊滑模算法调节水下机器人的速度以及航向角，达到快速避障的效果。本方法可以有效降低水下机器人运动时的洋流干扰，保障水下机器人平稳安全运行。

技术领域

本发明涉及水下机器人运动规划和轨迹跟踪技术领域，尤其涉及一种基于模糊滑模算法的水下机器人自主避障控制方法。

背景技术

海洋总面积约占地球表面积的71％，丰富的海洋资源等待着人们探索和开发，水下机器人应运而生。水下机器人在未知的海洋环境下工作，除了完成既定的勘测任务之外，保障自身的安全也尤为重要。因此水下机器人不仅要具备轨迹跟踪能力，还要具备快速避障的能力。

水下机器人按照控制变量和被控自由度的数量关系分为三大类：全驱动水下机器人、过驱动水下机器人和欠驱动水下机器人。为了降低成本和减轻质量，本发明采用欠驱动水下机器人，欠驱动水下机器人具有能源消耗低和系统推进效率高的优点，但是欠驱动水下机器人系统具有较强的耦合性，模型参数不定，易受海洋环境影响，因此采用合适的控制算法不仅可以提高欠驱动水下机器人系统的鲁棒性，而且对水下机器人实现快速避障至关重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于模糊滑模算法的水下机器人自主避障控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于模糊滑模算法的水下机器人自主避障控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立水下机器人在水平面的推力分布以及运动学模型；给定水下机器人的运动路线，行驶速度以及外界扰动，设置障碍物，障碍物的位置和大小未知；

所述水下机器人在水平面的运动学模型为：

V＝[u v r]

其中，M为包括水动力引起的附加重力的惯性矩阵；V为水下机器人的运动速度，其中u、v为直角坐标系中水下机器人在X、Y轴的速度分量，r为水下机器人在水平面的角速度；为运动速度关于时间的导数；C(V)为包括水动力引起的附加重力的哥式力和向心力矩阵；D(V)为水阻力与动力矩阵；G为重力和浮力矩阵；T为外部施加的作用力和转矩，包括控制输入和外界扰动；

所述直角坐标系以水下机器人的质心点为坐标系原点，X轴平行于艇体基线指向艇首，Y轴平行于基面指向右舷。

所述水下机器人在水平面的推力分布为：

U＝[T₁ T₂]

其中，F为外部施加的作用力；Q为外部施加的转矩；L为转换矩阵；U为推进器推力向量，T₁为推进器1的推力，T₂为推进器2的推力；W为外界扰动。

步骤2：水下机器人根据给定的运动路线和行驶速度进行路径跟踪，同时由声纳检测其前方是否存在障碍物；

所述水下机器人根据给定的运动路线和行驶速度进行路径跟踪时，水平面轨迹跟踪误差表示为：

其中，Xe为水下机器人在X轴的位移跟踪误差，Ye为水下机器人在Y轴的位移跟踪误差,为水下机器人的航向角跟踪误差，为水下机器人在X轴的位移跟踪误差关于时间的导数，为水下机器人在Y轴的位移跟踪误差关于时间的导数，为水下机器人的航向角跟踪误差关于时间的导数。