利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2018108847851
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种全驱动AUV回收控制系统的自主回收方法,全驱动AUV回收控制系统,包括回收单元和水下控制系统;所述回收单元由支架放置于海底平面或悬挂于船舶上,水下控制系统安装在全驱动自主水下机器人上;所述回收单元包括水声收发器、摄像机、圆锥导向罩、导管、灯光组;所述水声收发器安装在圆锥导向罩两侧,灯光组包含四个水下灯,以菱形的几何关系安装在圆锥导向罩外沿,所述摄像机安装在圆锥导向罩后部、导管颈部,用以基岸人员实时观测末端水下回收的过程;所述水下控制系统包括主控单元、照明控制板、电源管理系统、水下灯、漏水传感器、信息测量单元、温湿度传感器、避碰声呐、水下摄像机组、电池、导航定位单元、运动控制单元;主控单元由两块PC104工控板构成,主控PC104完成运动控制并对传感器的信息采集和处理,从控PC104仅和水下摄像机组相连,处理视频、图片数据,减小主控PC104的负担,两工控板之间通过485通信模式传送数据;所述照明控制板与主控PC104连接,接收亮度控制信号,对水下灯亮度进行调整;所述电源管理系统、漏水传感器和温湿度传感器与主控PC104相连,检测电池状态信息和机器人内部环境信息;所述导航定位单元包括USBL定位设备、光纤惯导、GPS/无线模块、多普勒仪,USBL定位设备、光纤惯导、GPS/无线模块和多普勒仪都与主控PC104相连,USBL定位设备在回收阶段接受水声收发器的信息计算相对位置,并将光纤惯导、多普勒仪、深度计所得到的数据发送给主控PC104,推算AUV当前位置、姿态;所述水下摄像机组在AUV回收末端将灯光组几何关系传输到从控PC104,从控PC104负责计算AUV相对回收口的位置,发送给主控PC104校准导航传感器得到的位置信息;所述运动控制单元包括电机控制器、电机组和拋载电磁铁;所述电机控制器根据主控PC104的发送的推进器的转速大小,用PWM对5个推进器转速控制,动态调整AUV的姿态角度和航速,同时将电机的转速发送给主控PC104;所述抛载电磁铁通电释放重块,在水下发生故障时将电磁铁吸附重块抛出实现快速上浮,完成AUV的自救;其特征在于,将动力定位思想加入到回收对接中;整个过程包括直线归位、直线跟踪、直线对接和校准对接四个阶段,在到达直线跟踪阶段后开启四自由度动力定位系统;所述四自由度动力定位系统对包括深度、纵倾角、航向角、横向位置四个自由度控制,依靠AUV将通过光纤惯导、USBL定位设备、深度计和多普勒仪得到的位姿数据,通过自适应无迹粒子滤波方法,得到AUV复合运动中的低频状态,通过动力定位控制器实时计算控制增量,使各推进器产生推力与力矩作为补偿动力,以抵消水流作用,保持AUV目标位置、艏向、深度和姿态;所述全驱动AUV控制系统的自主回收方法在AUV收到水声收发器信号并确认执行水下回收任务时开始,之后进入直线归位阶段,根据水声收发器确认回收口位置信息、多普勒仪的水平面速度信息、光纤惯导的姿态角信息和深度计的深度信息,指引AUV到指定深度并向回收口中心延长线前的直线追踪点不断逼近;当AUV到达直线追踪点时,进入直线跟踪阶段,此阶段通过调整艏向角来减小直线归位阶段的超调量,之后调整艏向平行回收口中心线并使用四自由度动力定位控制,以侧向推力保持直线跟踪;使AUV尽可能保持目标位置、艏向、深度和姿态;直至捕捉到灯光组信号认为到达对接就位点,之后进入直线对接阶段,所述直线对接阶段AUV缓慢减速至悬停校准灯光组信号,保持艏向始终平行于回收口中心线,根据灯光组的形心调整AUV深度和横向误差,之后缓慢前进;当AUV快进入圆锥导向罩时进入视觉对接盲区,此时为校准对接阶段,控制AUV艏向角度并减速,以艏向尽量与圆锥导向罩中心线平行的姿态进入导管完成对接。

2.如权利要求1所述全驱动AUV回收控制系统的自主回收方法,其特征在于,所述自适应无迹粒子滤波方法包括以下步骤:

1)初始化:根据位置信息、速度和姿态角信息定义状态向量、观测向量、状态模型方程和观测模型方程;状态模型方程和量测方程可由以下方程描述:xk=f(xk‑1,uk,wk‑1)                                                      (1)yk=h(xk,vk)                                                           (2)式中,xk、yk分别为k时刻系统的状态向量和观测向量,f(·)、h(·)为状态和观测的非线性函数,uk是控制量,wk是状态噪声,其均值为0,协方差为Qk,vk是观测噪声,均值为0,协方差为Rk;

令k=0,从已知初始分布中抽取n个粒子, 中上标代表第i个粒子,下标代表k时刻,初始化每个粒子权值为 定义以下初始条件:其中, 为第i个粒子状态初值, 为 的均值, 是初始n个粒子状态的期望,是初始的第i个粒子相对粒子均值 的距离平方的期望,等于该粒子的预测协方差初值, 为第i个粒子预测协方差初值, 为第i个粒子噪声统计特性初值;

2)采集数据:通过传感器系统获取AUV相对回收口位置、三轴线速度、三轴角速度和姿态角信息,并将以上信息代入状态模型方程和量测方程;其中,要对超短基线数据预处理得到位置信息;

3)采样并更新状态:对每个噪声统计特性为 与 的粒子用无迹卡尔曼滤波算法计算重要性分布函数,并从重要性分布函数中采样;之后使用粒子滤波更新估计状态并进行重采样判定;

4)噪声预测:估计粒子状态噪声统计特性;

5)根据计算的噪声统计特性与重采样生成的新粒子代入步骤2)迭代循环。

3.如权利要求2所述全驱动AUV回收控制系统的自主回收方法,其特征在于,自适应无迹粒子滤波方法的步骤3)包括以下步骤:

1)构造2N+1的Sigma点集,N为xk状态向量对应的状态空间维度,计算Sigma点:其中, 为第i个粒子的Sigma点; 为k‑1时刻粒子的状态值; 为k‑1时刻2

的预测协方差;λ=α(N+κ)‑N为尺度参数,常量α决定了Sigma点在均值附近的分布,κ是次级尺度调节参数,设置为0,j是sigma点的编号,L等于N,该sigma点集服从高斯分布,中心点编号为0,向左编号从1到L,向右编号为L+1到2L;

2)将Sigma点通过非线性函数进行传递,产生预测的Sigma样本点:m c

其中, 为 到 的一步转移矩阵;Wi 和Wi为均值和协方差的加权值;

为k‑1时刻的系统噪声; 为量测矩阵, 是第i个粒子状态的先验估计,是第i个粒子对观测向量yk的估计;

3)由式 判断是否发散,如发散按式(14)~(17)修正 不发散则进入下一步,其中 为残差序列;

引入衰减因子λk:

修正Pk|k‑1:

其中:

其中ρ为衰减系数,一般取值(0,1],此处取值0.95;tr为矩阵的对角线元素之和;

4)量测更新,根据式(18)~(20),求得量测方差Pyy,状态测量方差Pxy和滤波增益Kk:得到当前水下机器人的量测更新值为 和Pk|k:

5)得到粒子滤波系统重要性分布函数:从重要性分布函数对n个粒子进行采样:

6)计算 的权值:

对权值 归一化处理:

7)计算系统状态,得到AUV位置和姿态估计值:

8)计算估计式:

是衡量粒子退化程度的变量,将所得结果和既定阈值Ng比较,若Neff<Ng则进行重采样,重新得到M个新粒子,并赋予权值

4.如权利要求2所述全驱动AUV回收控制系统的自主回收方法,其特征在于,自适应无迹粒子滤波方法的步骤4)噪声预测使用Sage‑Husa噪声估计对粒子状态噪声统计特性自适应估计:

其中 是每个粒子第k个时刻对状态噪声wk均值估计,是每个粒子第k个时刻对状态噪声wk协方差的估计,是每个粒子第k个时刻输出的量测更新估计状态,等于是对预测值的期望, 是状态测量协方差矩阵; b为遗忘因子,范围为0.95<b<0.99, 为残差项。