用于海底光缆铺设的多水下机器人编队与避碰控制方法-k66凯时

申请/专利权人：江苏科技大学

申请日：2021-11-19

公开（公告）日：2024-03-08

公开（公告）号：cn114089763b

主分类号：g05d1/43

分类号：g05d1/43;g05d1/695

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.08#授权;2022.03.15#实质审查的生效;2022.02.25#公开

摘要：本发明涉及水下机器人控制技术领域，具体地说，是一种用于海底光缆铺设的多水下机器人编队与避碰控制方法，本发明基于一种“多驾马车的逆主从”式水下机器人海缆铺设编队，设计了其中拖拽水下机器人的路径避碰预测控制方法，这种方法建立一个虚拟结构体，虚拟结构体的顶点代表埋设用主水下机器人，虚拟结构体的端点代表单体的水下机器人，顶点与端点之间的连线代表埋设用主水下机器人与水下机器人之间的牵引缆。针对虚拟结构体变形过程中，端点交叉的情况设计了一种基于预测控制的避碰方法。从而满足逆主从式水下机器人编队控制时，既满足主水下机器人轨迹跟踪与航向调整的需求又保证从水下机器人不会发生碰撞或存在碰撞的潜在风险。

主权项：1.一种用于海底光缆铺设的多水下机器人编队，采用一主多从的逆主从结构设计，其特征在于，包括单台埋设用主水下机器人和多台从水下机器人，所述单台埋设用主水下机器人沿着随机的海底光缆铺设路径与海底保存一定固定高度前进作业，所述多台从水下机器人通过柔性拖拽缆绳牵引埋设用主水下机器人，所述埋设用主水下机器人搭载高压水枪与切割犁，所述多台从水下机器人给主水下机器人提供额外动力，行驶编队为从水下机器人在前，主水下机器人在后；具体包括以下步骤：步骤1：定义逆主从式水下机器人编队与预设跟踪路径；步骤2：逆主从式水下机器人编队的虚拟结构体受力分解；步骤3：逆主从式水下机器人编队虚拟结构体的渐进生成；步骤4：逆主从式水下机器人编队虚拟结构体中质点位置的调整；步骤5：逆主从式水下机器人编队虚拟结构体中质点间的避碰；在所述步骤1中，定义逆主从式水下机器人编队与预设跟踪路径：设t时刻沿预设铺设路径的埋设用主水下机器人在固定坐标系e-ξηζ下的坐标为e’，其中ξ指向正北、η指向正东、ζ指向地心，如此可将预设路径的经纬度转化为埋设用主水下机器人在固定坐标系下的路径描述，如公式1所示：e't＝[ξtηtζt]t1主从水下机器人组成逆主从式编队，i台从水下机器人通过柔性拖拽缆绳牵引埋设用主水下机器人，定义从水下机器人的重心位置为pi，下标i标识从水下机器人的编号；在所述步骤2中，逆主从式水下机器人编队的虚拟结构体受力分解：t时刻牵引力ft使埋设用主水下机器人跟踪预设路径，牵引力ft为虚拟结构体中制导力，在该力的作用下埋设用主水下机器人克服埋设铺设装置的阻力、外部洋流干扰力沿预设路径前进，由从水下机器人牵引埋设用主水下机器人，因此将ft分解到i台从水下机器人，则如公式2有： 以从水下机器人01为例进行牵引力分析，从水下机器人01重心为p1，连接埋设用主水下机器人重心e’，两者之间采用柔性拖拽缆绳连接，即从水下机器人01通过柔性拖拽缆绳连接牵引埋设用主水下机器人，缆绳长度为l1，忽略缆绳形变与弯曲，其产生牵引力为f1，将其在固定坐标系e-ξηζ下分解，则ξ轴为fx1，η轴为fy1，ζ轴为fz1，牵引力f1与ξ轴的夹角为α1、牵引力f1与η轴的夹角为β1、牵引力f1与ζ轴的夹角为γ1，即： 如公式3所示，将1～i台从水下机器人的牵引力在固定坐标系e-ξηζ分解，并将其列写为路径跟踪时所需的总推进力则有： 公式4中fz为埋设用主水下机器人的埋设阻力，δfσ为水下洋流干扰力，δδ为其他扰动力，牵引力、埋设阻力与干扰力采用矢量幅值和角度进行描述。

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