水下清洗机器人路径跟踪反演控制方法研究

水下清洗机器人路径跟踪反演控制方法研究

王刚

彩虹鱼科技（广东）有限公司 广东省珠海市 邮编 :519000

摘要：随着经济与科技的发展，渔业技术呈现高新发展趋势。但是，根据实践调查与相关资料分析发现，近年来各地区海上渔场网衣清洗问题凸显，水下清洗机器人得以研发，并提出了水下清洗机器人反演跟踪控制方法。基于运动学角度上看，机器人研发涉及动力学模型和运动学技术，为了确保机器人不受复杂的下水环境感染，有序清洗网箱，必须注重其路径跟踪能力的提高。控制系统由三个子系统组成，进而明确速度误差、位置误差、扰动估计误差等，针对各个子系统设定中间虚拟控制量，同时导出最终控制律。实现反演控制器设计后，利用计算机设备构建机器人仿真模型，并分析其清洗路径的跟踪控制全过程，以期通过跟踪反演控制方法更好的规划机器人清洗路径。

关键词：水下清洗；机器人；跟踪反演；控制方法

我国各地城市化建设进程不断加快，陆地可利用空间逐年减小，海洋空间的有效开发与利用为社各界为关注。水产养殖业发展与人们日常生活息息相关，市场中，鱼类产品销售量较大。人们开始尝试大规模渔业养殖与深海渔场网箱养殖，以此提高渔业产量。但由于养殖网箱的渔网长期得不到彻底清理，网上附着大量海生物，加上污染水体的侵蚀，对渔场水体交换造成严重影响，清洗网箱渔网也成为渔业发展中的紧要问题。使用水下清洗机器人，其能反复、彻底清洗网箱，并且清洗机器人有着观察和检查功能，促使渔业养殖效率提高，有利于投入成本控制。因此，水下清洗机器人路径跟踪反演控制方法研究，对水产养殖业、渔业发展具有重要意义。

1. 构建模型

1.1研究背景

本次研究中，水下清洗机器人为开架式结构，其动力来源于竖直推进器和水平推进器，机器人作业过程中，高压水射流清洗网箱。水下机器人系统具有多输入、多输出特点，同时清洗期间易受电缆拉力、海流、高压水射流反推力等影响。针对上述问题，采取路径跟踪反演控制方法能够减轻干扰或解决问题，下面本文将分析机器人运动规律，并尝试构建动力学模型，为反演运动控制器设计奠定基础，促进水下清洗机器人作业稳定性的提高。

1.2运动学模型

在探索ROV运动前，应根据实际情况，绘制运动坐标系和静止坐标系，在其中取海面任意一点。结合ROV与运动坐标系综合分析，明确科氏力矩阵、惯性矩阵、水动力引起的附加质量矩阵，结合浮力力矩、重力、浮力与重力力矩等指标进行综合分析，获取推进器合力矩与合力、干扰力矩与干扰力^[1]。

2. 路径跟踪反演控制方法分析

2.1路径规划设计

水下清洗机器人为了顺利开展清洗作业，通过采用路径规划技术用于清洗控制。按照不同清洗要求，路径规划分为传统从任务起点至终点规划和遍历路径规划两种。从路径规划层次角度上看，从任务起点至任务终点这一路径规划，可能基于全局静态环节下，也可能处于实时局部动态环节下。离线路径规划指的是，在全面掌握全局环境前提下，结合相关信息与AUV模型，进行从起点至终点的无障碍可行路径规划^[2]。在线路径规划期间，凭借AUV自身对水下环境的感知能力，获取所需环境信息，进而借助AUV探测系统得以实现最优路径规划；遍历路径规划指的是以评价函数为依据，在规划区内寻找从起点至终点无障碍路径，基于此，评价函数最优。

2.2路径跟踪设计

水下清洗机器人路径跟踪方法包括操纵AUV跟踪期望路径和控制AUV前行速度两种，前者能够将跟踪误差控制到最小，后者则能够将其稳定在期望速度内。设计反演控制器过程中，可能会混淆轨迹跟踪和路径跟踪，对比二者，前者由参考模型产生参考轨迹，必须在掌握模型参数的情况下明确所有运动参数时间要求，而路径跟踪则以曲线参数描述而得到参考路径，没有硬性时间要求。在应用实践中，相比于机器人轨迹跟踪研究，路径跟踪研究实用价值更高，水下清洗工作，要求反演控制器能够保持一定速度，实时跟踪预先规定好的航线航行，并且要求根据不同环境、情况等随时变换姿态、速度^[3]。考虑到控制器制造成本和使用成本，自由度方面尚未全面完善，控制器仅可以进行简单的横滚、前行、俯仰等自由度运动，垂向运动、侧向运动这样高难度动作难以实现，仍需进一步完善。

在水下清洗机器人作业过程中，通常不要求机器人在制定时间里达到特定位置，实现跟踪几何路径即可。机器人航行方向、作业活动等都通过计算机实时控制，同时管理者可以通过机器人功能进行远程目标识别、图像处理，其在渔业生产中的应用达到一定规模，逐渐显现普及趋势。

2.3反演控制器设计

渔场网箱外形基本相同，基于此，水下清洗机器人接受清洗任务后，按照系统命令及规定路径对网箱网衣进行检查和清洗。ROV根据底部清洗盘运行状况开展清洗工作，进而机器人路径跟踪过程中，需确保底面与网衣保持平行。要想提高路径跟踪控制水平，还应采取有效方式，减轻电缆拉力、高压射流反推力对机器人清洗工作的干扰，尽量减小跟踪误差，借助反演算法设计控制器能够达到预期效果。在应用李雅普诺夫函数背景下，针对路径跟踪反演控制器这样的非线性系统，采用大范围渐进稳定性方法能够取得好的成果，且打破了传统空气阶数限制的困境，关于水下清洗机器人路径跟踪反演控制器，在已知控制信号作用后，通过计算最终得出结论：系统设计应秉承着李雅普洛夫渐进稳定的原则。

3. 仿真分析

机器人模型参数确定后，如果渔场底部呈正多边形，本次研究则以正六边形为例，水下清洗机器人作业期间，要求底部和渔场底部平行，且保持姿态角为0，则可以形成路基规划图。航行过程中，ROV到达A点，之后沿着渔场边缘继续运动，到达B点，之后返回原始点，以此反复运动。以上文中提到的动力学模型及控制律为依据，在MATLAB软件的Simulink环境下进行仿真建模，形成对整个网箱底网清洗路径进行跟踪的仿真图像和对仿真图方框所包围局部的放大图像^[4]。在没有干扰的环境条件下，所设计的反演控制器得以良好控制机器人运动方向与姿态，确保误差不超过±0.02m，并随着运行的稳定而逐渐减小。机器人受到各种干扰后，其运动状态受到影响，跟踪误差增至0.22米，随着降低至0.1m内。对比机器人受到干扰和未受干扰情况下作业状态，可以发现受到干扰后，跟踪误差明显增加，但是仍维持在一个较小的范围内。因此该控制器有一定的抗干扰能力，且能够保证ROV稳定运动。

总结语：

综上所述，水下清洗机器人在工作时将受到海流、高压水流反推力、电缆拉力的干扰，容易偏离原来的轨迹，影响工作效率。因此，本文基于李亚普洛夫函数，通过反演算法分析并设计了运动控制器，在MATLABSimulink环境下进行仿真。在这样的前提下，得以看出误差维持在较小的范围内，满足李亚普洛夫稳定。表明通过该方法设计的控制器，可使得清洗机器人在有、无外界干扰的情况下，都能较好的跟踪参考路径，具有较强的鲁棒性。控制算法可有效控制清洗机器人按规划清洗路径进行清洗作业。最后，希望本文能够起到抛砖引玉的作用，为专业研究工作提供一定参考。

参考文献：

[1]罗友高, 孙涛, 陈宏轩,等. 水下清洗机器人路径跟踪反演控制方法研究[J]. 机械工程师, 2021(8):4.

[2]王馨, 马占军, 朱哲. 水下清洁机器人运动控制系统设计研究[J]. 电子世界, 2019(16):2.

[3]胡亚强, 于金鹏, 赵林,等. 基于命令滤波技术的水下机器人位置跟踪控制[J]. 青岛大学学报：工程技术版, 2019, 34(1):6.

[4]陈国军, 陈巍, 郁汉琪. 基于深度学习的单目视觉水下机器人目标跟踪方法研究[J]. 机床与液压, 2019, 47(23):79-82.