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自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 摘要 海洋是全球生命系统的一个基本组成部分，伴随着海洋的开发，水下机器人 特别是自主式水下机器人得到广泛的应用。智能控制是当前水下机器人运动控制 领域研究的热点，在很大程度上代表着今后的研究方向。本论文旨在探讨基于行 为的控制技术在自主式水下机器人运动控制中的应用，并提出性能较优的水下机 器人运动控制系统和基本行为的设计方案。 本文建立了自主式水下机器人的运动学模型，并根据实际情况和控制器设计 的需要进行了适当简化，得到了五自由度运动模型，为后续控制设计和研究提供 理论依据及向导作用。 通过对水下机器人基于行为的控制体系结构地研究，阐述了基于行为的水下 机器人研究的主要内容，提出了一种可自主完成任务的水下机器人控制体系结 构。结合在实际环境中的情况，将基于行为的控制思想与模糊控制思想相结合， 设计了自主式水下机器人的基本行为，并进行了模糊化处理。 本文最后结合自主式水下机器人动力学模型，使用p i d 作为自主式水下机器 人运动的底层控制系统，并利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 和v r m l 两大模块， 建立仿真系统的各个模型。然后，在模型基础上进行了基本行为控制的实验和仿 真，并对结果加以探讨分析，为现实自主式水下机器人的应用打下了基础。 关键词：自主式水下机器人；基于行为；模糊控制；p i d 控制 s t u d yo nb e h a v i o r - b a s e dc o n t r o l o fa u t o n o m o u s u n d e r w a t e rv e h i c l e a b s t r a c t o c e a ni saf u n d a m e n t a lc o m p o s i n gp a r to fl i f es y s t e m ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f u n d e r w a t e rv e h i c l e s ；e s p e c i a l l yt h ea u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ( a u v ) i sw i d e l y a p p l i e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to nt h eo c e a n i n t e l l i g e n tc o n t r o li st h eh o t s p o ti nt h e r e s e a r c hf i e l do fm o t i o nc o n t r o lo fu n d e r w a t e rv e h i c l e s ，a n di tr e p r e s e n t st h er e s e a r c h d i r e c t i o ni nt h ef u t u r et oag r e a te x t e n t t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tt h ea p p l i c a t i o no ft h e b e h a v i o r - b a s e dc o n t r o lt e c h n i q u e sa b o u tt h em o t i o nc o n t r o lo fa u v , a n dt r i e st o p r o p o s eac o n t r o ls y s t e mo fa u vw i t hf r e ep e r f o r m a n c ea n dd e s i g n st h eb a s i c b e h a v i o r 吱删 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em o d e lo fa u vi sb u i l ta n db a s e do nt h ep r a c t i c a ln e e d s a n dt h ec o n v e n i e n c eo fd e s i g n i n gt h ec o n t r o l l e r t h em o d e li sp r o p e r l ys i m p l i f i e di n t o t h ed y n a m i cm o d e lw i n l5d i r e c t i o n so ff r e e d o m ，w h i c hi st h ea c a d e m i cr e f e r e n c ea n d g u i d a n c ef o rt h ef o l l o w i n gc o n t r o ld e s i g na n dr e s e a r c h t h r o u g he x p l o r i n gt h eb e h a v i o r - b a s e dc o n t r o la r c h i t e c t u r eo fa u v , i ti n t e r p r e t s t h em a i nc o n t e n to ft h eb e h a v i o r - b a s e do fa u va n dp r o p o s e sak i n do fa r c h i t e c t u r eo f b e h a v i o r - b a s e dc o n t r o ls y s t e ma b o u ta u v , w h i c hc a nc o m p l e t et h et a s ka u t o m a t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n s ，i tc o m b i n e st h eb e h a v i o r - b a s e dc o n t r o la n dt h e f u z z yc o n t r o lt h e o r yt od e s i g nt h eb a s i cb e h a v i o r so fa u v , w h i c ha r ef u z z i f i e d l y p r o c e e d e di nt h ef o l l o w i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm o d e lo fa u v , b yu s i n gp i da st h e u n d e r l y i n gm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mo fa u v , i te s t a b l i s h e st h ev a r i o u sm o d e l so f s i m u l a t i o ns y s t e mt h r o u g hu s i n gs i m u l i n ka n dv r m li nm a t l a b s i m u l a t i o n s a n de x p e r i m e n t so ft h eb a s i cb e h a v i o rc o n t r o la r ed o n et h r o u g ht h i sm o d e l ，t h e nt h e r e s u l t sa r ea n a l y z e d ，a n di t st h ef o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：a u v ；b e h a v i o r - b a s e d ；f u z z yc o n t r o l ；p i d i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 地遗直墓他霞墓缱型直明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：薪磊 签字日期夕棚年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 帝磊 签字日期：，卯獐月7e l 翩签拿：铄眩 签字日期啡易月7 日 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 1 绪论 1 1 引言 众所周知，随着社会发展和文明进步，陆地上的资源正日益枯竭，而在浩瀚 神秘的海洋中蕴藏着丰富的资源，如石油、天然气和各种稀有金属等。据估计， 这些资源在海洋中的储藏量是陆地上的几十到几百倍。海洋资源地开发和利用对 人类未来的生存和发展将具有十分重要的意义。水下机器人由于机动灵活，能够 在深海中长时间工作而日益成为人类开发利用海洋的重要工具【1 1 1 2 1 1 3 1 。 水下机器人的种类非常多，其中主要有载人水下机器人、有缆水下机器人 ( r o v ) 、自主式水下机器人( 6 州) 三种。随着科学技术的日益发展和人们要 求的不断提高，自主式水下机器人在海洋探索开发中具有的独特优势逐渐体现出 来。a u v 主要用于无人、大范围以及长时间的水下环境监测，包括监测物理学r 参数、海洋地质、地球物理学参数、海洋化学参数和海洋生物学参数等，以及海 洋工程方面的现场观测。a u v 与其它水下机器人相比具有安全( 无人) 、结构简 单、尺寸小、重量轻、成本低等优点，因此，a u v 的研究得到了各国科学家的 关注 1 1 1 2 1 1 3 1 。 1 2 自主式水下机器人发展状况及前景1 1 1 2 1 3 】 目前，以美国为代表的发达国家已经在a u v 研究领域取得了很多的成果。 比较著名的有：美国海军研究生院研制的p h o e n i xa u v 和a r i e sa u v ；美国夏 威夷大学研制的o d i n ；美国佛罗里达大西洋大学海洋工程系与海洋科学系共同 开发的o c e a nv o y a g e ri i ：美国斯坦福大学与蒙特利湾水源研究学院合作开发的 o t t e r ；加拿大用开发的用于在北冰洋冰层下铺设海底光缆的t h e s e u sa u g ； 英国开发的一部用于海洋科学研究的a u t o s u b 1a u v 等等。 从9 0 年代开始，我国a u v 的研制取得了重大突破。1 9 9 4 年“探索者1 号” 自主水下机器人在西沙群岛近海成功的下潜到1 0 0 0 米，成为我国自主研制的水 下机器人到达深海的先驱。1 9 9 5 年，借助俄罗斯的有关技术力量，设计深度6 0 0 0 米的“c r - - 0 1 a 在夏威夷附近海域下潜到5 3 0 0 米，收集了大量珍贵资料。而 中国海洋大学硕士学位论文 2 0 0 8 年3 月，我国研制的六千米自主式水下机器人“c r - 0 2 在南海海域成功的 进行了深海实验。这几次深海试验的成功，标志着我国的6 0 0 0 米水下机器人制 造技术已经成熟并且达到世界先进水平。 a u v 作为一个基本载体，在更新各种机载设备和工具以后，将具有更加广阔 的应用前景。在海底资源的开采中，a u v 可以进行设备的维护和修理，运送必 要的器材和现场地监视和测量；在海洋石油平台建设中，a u v 可以进行导管架 检查、管道检查及维护；在海洋学研究中，a u v 可以用来进行海洋学的各种测 量，比如海底火山活动的观察、监视、布放和仪器回收，进行海底采样以及各种 生物学、水文学的研究等等。由于a u v 体积小、重量轻、活动范围广、噪音低 等特点，可用于侦察对方水下设施，监听对方潜艇；还可以用于反水雷，配合反 潜训练，防险救生等军事活动【4 1 。纵观现代a u v 技术的发展，将来可能向下面 4 个发展方向：向远程发展；向深海发展；向功能更强大的方向发展；向全海深 技术发展。 1 3 行为控制技术发展状况 1 3 1 行为技术发展及特点 人们在让机器人模拟人类某一方面的智能时，需要建立严格精确的系统数学 模型，并且只有在机器人与环境之间存在着强相互作用的确定性过程任务时，才 能得到成功的运用。但是，当机器人与环境之间存在不确定性时，例如在战场、 太空、海底等不可事先预见的环境条件中，上面的方法就不足以应付这种挑战。 为了在多变环境条件下制造出更好的能够完成各种任务的机器人，这就需要有其 它新的方法理论来指导具体的研究工作。“感知珩为方法就是在这种需求下提 出，并在一定领域内应用取得成功的一种智能控制方法。“感知行为 模式最早 是作为探讨动物与自然界的相互关系的一种心理学思想而出现的。作为心理学的 主流派之一的代表人物，著名的心理学家j b w a n t s t i o n 先后发表了许多关于行 为的著作，确立了行为主义在心理学研究中的的位。他认为：“动物的行为是对 外界刺激的反应，思想是整个身体的机能 。1 9 4 8 年维纳在著名的控制论中 指出：“控制论是在自控理论、统计信息理论和生物学的基础上发展起来的，机 2 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 器的自适应、自组织、自修复和学习功能是由系统的输入输出反馈行为决定的 ， 从而将心理学的某些成果引入到控制理论中1 5 j 。 2 0 世纪8 0 年代，随着计算机技术和仿生学技术的发展，以美国麻省理工学 院人工智能实验室的r a b r o o k s 为代表的一批研究人员将行为主义的观点引入 到人工智能的研究中。进入8 0 年代后期，b r o o k s 在美国麻省理工学院人工智能 实验室成功的制造出了第一个基于“感知行为”模式的机器人a l l e n 。从此基 于“感知行为 模式机器人的研究有了突破性的进展，该机器人是一种包容式 的结构，其行动几乎完全是有活性的【6 】【7 1 。该结构是从生物系统中得到启发而产 生的用来设计自主机器人的技术，它采用类似动物进化的自底向上的原理体系， 尝试从简单的智能体来建立一个复杂的系统。 在基于行为的控制系统中，具有层次性的“感知动作”行为是机器人控制的 基本单元。感知是机器人通过传感器对外部环境的一种理解和认识；动作是机器 人在外部环境刺激下，通过控制器所采取的一种行动；行为是机器人与外部环境 的一种交互。可以把行为理解成一个包含传感器信息处理与执行控制的子系统， 因而可以将机器人任务目标分解为一系列相互作用的行为集合。而各个行为之间 的协调，也是非常重要的问题。许多学者从不同的观点出发对其进行了深入研究， 研究动物行为学的学者试图通过理解生物选择动作的方式来实现机器人系统的 行为协调，还有学者通过研究具有基本生命特征的人工生命这一领域，从中获得 机器人行为协调的灵感。可以说机器人行为协调问题是包含自动控制理论、信息 论、心理学、生物学以及人工智能在内的多学科的交叉课题，具有很强的挑战性。 1 3 2 基于行为的体系结构发展状况 最早的基于行为的体系结构就是前面提到的包容式框架结构 6 1 u ，结构如图 1 - 1 所示，在此框架中，所有的信息流都是从传感器到执行器。包容式的结构是 由一些连接着输入、输出端口的有限自动机的简单网络；采用自顶向下的层次构 建方法，层次间存在着密切的关系，上层行为可以对下层行为的输出产生抑制作 用。包容式结构要求上层行为能够干涉下层行为，所以层次模块之间并不是完全 独立的，从而增加了系统设计的复杂性。 中国海洋大学硕士学位论文 传感行器 图1 。l 包容式结构 包容式结构控制系统的层次比较清晰，不同任务执行的优先顺序也易于判断， 所以控制流程也很明确。但是在机器人运动过程中，由于环境的复杂多变，使得 在不同条件下任务的优先级可能会发生变化，因此假如将任务的优先级事先人为 设定，就会导致控制系统对环境变化的适应能力减弱。 所以，研究人员不断设计和改进新的体系结构。h o m a y o u n 在包容式结构中 加入了模糊逻辑控制的方法，利用实时摄像头获得信息，使机器人能够在极其复 杂的、具有挑战性的环境中运行。该方法利用可调整的权重因子来决定机器人的 最后的行为强】。a r k i n 利用架构理论提出了运动架构方法的基于行为的结构。该 方法的特点是所有行为的反应都用一个形式表示，即向量，然后通过矢量相加来 获得行为协调【9 】。与此同时，研究人员在模糊逻辑方法应用于基于行为技术中也 作了大量的工作【1 0 1 4 1 。 在包容式结构和运动构架结构的基础上，出现了很多新的结构：s c o t tl e n s e r 提出了模块化层级的基于行为的结构，主要特点是便于添加和删除行为，层级结 构易于编程，有能力并行执行多个无冲突的行为【l 们。j u l i or o s e n b a l a tt 提出移动 导航的分布式结构( d a m n ) ，这种结构的主要特点是由一组分布式功能模块和 一个集中命令仲裁器组成，各功能模块基于领域知识，并通过规划或反应方式自 主产生行为( 投票) ，由仲裁器产生一致的、理性的、目标导向的动作【1 6 】【l 刀。其 它比较有特点的结构是：l k a e l b l i n g 的环路结构【1 8 1 ；嘣em a e s 的动作选择结 构【1 9 1 ；j o h nc o n n e l l 的群体结构【2 0 1 ；r j a m e s f i r b y 的a n i m a t e a g e n t a r c h i t e c t u r e 2 1 1 。 在国内对基于行为技术的研究已经逐渐开展，清华大学较早的进行了基于行 为技术的研究【2 2 1 1 2 3 1 ，近几年基于行为在国内也有所进展，而且逐步应用到了多 4 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 机器人的研究中 2 4 】【2 5 1 。 1 4 本文研究的主要内容 本文的课题来源于8 6 3 计划，是其专项技术研究课题“基于同时定位与地图 构建方法的a u v 自主导航技术”的一部分。本课题将研究以扫描成像声纳为主 传感器、以同时定位与地图构建( s l 蝴) 为主要方法的a u v 导航定位技术， 研制具有自主导航能力的a u v 原理演示样机。课题最终研究成型的a u v 如图 1 2 所示。 图1 2a u v 原理演示样机 本文研究的主要内容是针对a u v 非结构化环境中的特点，依靠基于行为控 制的良好实时性，建立a u v 运动模型，并将行为控制和模糊逻辑控制的思想应 用于a u v 控制中，最后进行了基本的行为运动控制技术的仿真研究。 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 2 自主式水下机器人动力学模型 2 i 引言 本文主要内容是对a u v 基于行为的控制方法进行仿真研究，无论是否是基 于模型的运动控制方法，都必须建立水下机器人的动力学模型，然后根据此模型 利用m a t l 蛆s i m l i 卜建立起具体的a u v 及推动器模型。本章首先介绍了研 究a u v 的常用坐标系及描述a u v 的各个参数，接着根据动量定律及动量矩定 律推导了a u v 的动力学和数学模型，最后依据研究对象具体情况，对动力学和 数学模型进行了适当简化，得到了所需的控制对象的模型。 2 2 坐标系及坐标变换【1 2 a 1 1 2 7 1 研究a u v 一般采用直角坐标系，基本的坐标系是固定坐标系，即地面坐标 系或称为静止坐标系。在研究海水与a u v 相互作用时，固定坐标系不方便，因 而采用相对子a u v 固定的运动坐标系。 2 1 1 固定坐标系和运动坐标系 固定坐标系是惯性坐标系，如图2 1 原点e 取靠近海面或海中一点，x e 轴在 水平方向，y e 轴垂直向上，y e 由右手定则确定。在固定坐标系下，a u v 重心g 的坐标为( x c ，y g ，z o ) ，重心g 的速度为= 吨，圪，z o ) r ，a u v 旋转角速度 q = ( 瓯，岛，嗖) r ，a u v 所受的合力为f = ( 瓦，戽，忘) r ，a u v 所受的外力矩为 t = ( 巧，写，乏) 1 。 在研究海水与a u v 相互作用时用相对与a u v 固定的运动坐标系。如图2 一l 运动坐标系一般选取a u v 重心或浮心为原点o ，o n 轴取在a u v 纵中剖面内， 指向a u v 艏部，o y 轴取在纵中面内，指向a u v 顶部，o z 轴由右手定则确定。 在运动坐标系中，a u v 速度u = ( “，1 ，们r ，a u v 角速度q = ( p ，q ，) r ，a u v 合 外力为f = ( x ，y ；z ) t ，a u v 合外力矩为t = ( k ，m ，) r 。 7 中国海洋大学硕士学位论文 厶 图2 1 固定坐标系与运动坐标系 接下来，讨论一下固定坐标系与运动坐标系之间的转化。定义o x 轴在水平面 e x e z e 内的投影与e x e 之间的夹角、l ，为偏航角，左偏为正。o x 轴水平面e x 丑e 的夹角0 为仰角，抬头为正。o x 水平面与水平面e x e z e 之间的夹角q 为横滚角， 顺着o x 看往右翻转为正，如图2 2 。 在固定坐标系与a u v 坐标系原点重合的情况下，可以认为运动坐标系是由 固定坐标系经过三次旋转而形成的。 绕y e绕z e 绕x e x e y e z e e x e y e z e ， o ) y e z b o 碍z 转、l ， 转0转q 其中，e x e y e z e 称为半坐标系。 可以得到： 卜目 并且可以得到c 苫= t ( 2 1 ) ( 2 2 ) io o s s a 】s 缈曲稍缅沙l 其中喏= l 商觚归缈觚伊s h l 触帅咖l ( 2 - 3 ) l 卿 f ，s 呱州缸驴傩缈o 锱叩嘶渤妒嘶帅瞄驴仰b 叫 8 2 1 2 速度向量 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 图2 - 2 偏航角、i ，俯仰角0 如图2 3 所示，定义速度向量u 与e x e z e 平面小于9 0 。的夹角为潜浮角z ， z 0 表示下潜。定义u 所在的铅垂面与x e 轴的夹角为航迹 角y ，y 0 ，表示右偏航，y 0 ，表示左偏航。 于是有 z r 驴引= = c q z ，q y ，q z j r = 耋 坛 u 图2 - 3 航迹角y ，潜浮角z 9 ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 一厂y 一 ? i l y z z 蜀 s s s u v 矿 l l 泠 义 中国海洋大学硕士学位论文 y u 图2 _ 4 冲角口，侧滑角d 而速度向量与a u v 坐标系的关系，如图2 4 ，速度u 与a u v 正中面o x y 间 的夹角p 称为侧滑角，右舷为正。速度矢量u 在o x y 面的投影与o x 轴的夹角口 称为冲角，规定在o x 的下方为正。在a u v 坐标系中，a u v 旋转角速度： 因而， q = ； = c 告 三芝 + 朗 载体速度u 可以表示为： 反之有： ( 2 7 ) ( 2 8 ) u * 鼍墨卜u = 一泣9 ) u ：4 u 2 + v 2 + w 2 口= a r c t g ( 一争 = a r c s 咱 1 0 ( 2 1 0 ) 缈叩 n 加豇氏蚀 ， 纠妒 秒 j 2 出 神 宝：鋈日钆妇 斗 c ， 炉叫 = = = p g 五 ，憎旧r 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 2 2 动力学方程的建立【1 1 2 6 2 7 2 2 1 水下机器人受力分析 为了使讨论不失一般性，本文先推导出六自由度的动力学方程以便于讨论， 而五自由度的只是六自由度的一种特殊情况。假设运动坐标系原点在浮心，a u v 重心不与运动坐标系原点重合，重心在运动坐标系的坐标为r g ( x g ，y g ，z g ) 。 根据公式肌垡争= f ，其中= + q d 如，u t 为a u v 坐标系相对与 “ 固定坐标系的速度。 又警= 警心+ 塑o t 心( q 如) ( 2 - 1 1 ) 可以得到运动坐标系中三个分力的表达式： ( 2 1 2 ) 根据刚体的动量矩定理，在固定坐标系中，a u v 对质心的动量矩l g 随时间 的变化率等于外力对质点的力矩之和。 警= ，其中：毛= 丁一如f = j r r 一小号笋 上式中，t 为外力对a u v 浮心的力矩。 l g 外力对重心的动量矩岛= k p i + k 谚+ k 欣 又： ( 2 - 1 3 ) 视伽蒯 乙 d d时旷旷 坛乙k + + + 、，、，、，以萨铲” 乙 啷 妒 节 订 馏 叼 瞄p m州加硝 = = = z y z 嚣苦守苦 + + + 砖晖 优 m 蒯 + + + g g g k k = = = k 0 乞 中国海洋大学硕士学位论文 可以得到在运动坐标系中三个分力矩的表达式： k = l 户+ ( 一) 矿+ 刀岖虼( 谚+ 节一u q ) 一磊( 多+ z 矿一w p ) 】 m 2 口+ ( l t ) + 肌【乙 + w g + v 厂) 一( 咖+ 甲一叼) 】 ( 2 1 4 ) n = l 户+ ( 一i ，) p q + m x g ( o + u r w p ) 一y g ( i l + w q v r ) 】 即为( 2 1 2 ) 和( 2 1 4 ) 即为a u v 的六自由度空间动力学方程。 a u v 主要受重力、浮力、推力及水动力，及其它们的力矩的作用。重力g 沿y e 轴竖直向下，浮力沿y e 轴竖直向上。在这里根据实际情况通过精确的配 重力与浮力相等，也就是剩余浮力为零。重心布置在浮心正下方，从而当a u v 产生横滚时可以产生扶正力矩以控制横滚。 目前，大多a u v 采用多推力器布置，推力器既是动力部件，同时也是控制 部件，可以动力定位。本文讨论的机器人采用单推力器，布置在o x 轴上，位于 a u v 的尾部。机器人的运动控制采用垂直舵及水平舵。 a u v 的水动力研究是极其复杂的，不仅与a u v 的外形尺寸有关，而且与运 动参数、流体介质特性有关。在外形尺寸确定的情况下，则流体动力的大小完全 取决于 ，夕，u ，p ，q ，1 2 ，廿，以p ，玑j ：) 和舵角( b e ，8 r ，8 e ，8 r ) 。水动力又可以分为与 加速度有关的惯性水动力及粘性水动力。因而，水动力可以表示为 f ( a ，u ，p ，q ，砍，寸，屯声，口，户，8 e ，万，) = f ( a ，u ，p ，q ，万台，6 ，) + g ( 西，帝，吨乡，口，户) 式中，f ( a ，u ，p ，q ，& ，毋) 称为粘性类流体动力，它与a u v 运动的冲角、漂 角、速度、角速度和舵角有关。g ( 口，寸，w , p ，蟊户) 称为惯性类流体动力，它只与运 动的加速度、角速度有关。 下面分别分析粘性类流体水动力和惯性类流体动力： 1 、粘性类流体水动力 实际流体是存在粘性的，当a u v 与流体介质相对运动时会产生粘性水动力。 粘性水动力是非线性，各参数产生的水动力是相互耦合的。为了简化，本文只研 究粘性类流体水动力的线性表示。 在小机动情况下，线性水动力理论主要依据三个简化原则： ( 1 ) 流体动力可以分解成彼此独立的纵向力( 力矩) ，垂向力( 力矩) ，横向力( 力 1 2 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 矩) ，并且只与该平面的参数有关，忽略各平面内的交叉耦合。 ( 2 ) 把每个平面的力分解成位置力( 与uv ，w 或与伍，1 3 有关) ，旋转力( 与p ，q ， r 有关) ，舵力( 与，西有关) 。 ( 3 ) 每个力的表达式中位置力，旋转力，舵力都可以看作运动参数的线性函 数。水动力通常用无量纲系数的形式表示，根据上述原则，a u v 六自由度的水 动力可以表示为： x f = 1 1i 。i u - s c a o ) 弓= 去2 s 【c y ( o ) + c 罗口+ c ；rw + c 罗万e 】 z ，：委尸u 2 s c 乡p + q g - + c ；p + c 尹& 】 k f = 去_ p u 2 s l c 岩p + c q q + c p i + c 宅6 n m f = 鼍p u 2 s 珏c 乞p + c i q + c p + c 嚣6 n m = 妻z s z c a o ) + c 另口+ c ；，+ e 妒万口】 ( 2 1 5 ) 式中：p ：水密度；s ：a u v 最大横截面积；l ：a u v 长度，p ，g ， ，分别表 示p ，q ，r 的无量纲量：p = 皿u ，q = 牡u ，= r l i u 2 、惯性类流体水动力 惯性类水动力是由于a u v 作加速运动，带动介质作加速运动而使a u v 所受 介质的反作用力。表示为： & = 一乃t ，= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ( 2 1 6 ) 1 ，2 ，3 表示相对与】( ，y ，z 轴方向4 ，5 ，6 表示对应与) 【，y z 轴的转动厶 即a u v 沿j 方向的加速度v i 与i 方向的流体惯性力g i 之间的比例常数。因 而，惯性类流体水动力g 可以写成 中国海洋大学硕士学位论文 g l 9 2 9 3 9 4 g s 9 6 五，五2a 3 五4 五5 五61 厂历 五，如如乞4 丸缸 五。五2 五3 如4 五5 五6l | 谛 五。如如以五5 缸l lp 以以2 以3 冬4 以，五6i | 毒 五。如砧砧砧心儿户 ( 2 1 7 ) 2 ei - 角：g 个系数具有 p f 】因次，称为附加质量，右下角九个系数具有【f 】因 次，称为附加惯矩。其余是附加静矩具有 p 】因次。 由于本文研究的a u v 上下对称、左右对称，依据势流可以证明：九= 2 f 。因 而惯性水动力只有 ，五：，屯6 ，乃，缸，心，乃，五，如，k 且五，= 一乞，其余为零。 于是惯性类流体水动力可以写成： g l = - a l l “ 9 2 = 一如2 9 2 2 6 t ； 9 3 = 一如3 w 一如5 9 9 4 = 一九4 p ( 2 - 1 8 ) g s = 一心5 w 一力s 5 9 9 6 = 一如6 v 一九6 f a u v 水动力系数的确定是机器人设计的重要内容，目前确定水动力系数的 方法有试验测定、理论计算及近似推算等。 2 2 2 动力学方程 根据上述分析，将重力( 矩) ，推力( 矩) ，浮力( 矩) ，粘性水动力，惯性水动力 代入式( 2 - 1 2 ) 及式( 2 1 4 ) ，可以得到a u v 的动力学方程。在小冲角、小侧滑角， 小机动的条件下，粘性水动力线性表示，并且认为( ，z g ) 为一阶小量的前 提下，动力学方程简化为式( 2 - 2 8 ) 。 另外有运动方程九个： 1 4 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 口：a r c t g ( a r c 一与 口= 一一) 甜 = a x e s 蛾争 痧= p 一( 鸟c o s q ，一r s i n 9 ) t g o 沙= ( q c o s - r s i n 缈) c o s b 0 = q s i n q - i - r c o s q 7 叉名= 甜s i l l p c o s y + v ( s i n y s i n 缈一s i n 乡c o s 伊c o s l y ) - i - w ( s i n u c o s 伊+ s i n o c o s v s i n 力 = u s i n 秒+ v c o s o c o s 伊一w c o s 口s i n 缈 z 2 = 一u c o s o c o s+ 1 ，( s i n 吵s i l l 伊+ s i i l 矽c o s 杪c o s 9 ) + w ( s i n c o s 缈一s i n p c 0 s 沙s i n 咖 ( m + a 1 1 ) z 2 = t - a g s 洫秒+ 去p u 2 s 【巳( o ) 】 ( 历+ 如) 1 + ( 打+ 如6 ) 户+ m u r = 一a g c o s o c o s 9 + 去2 s 【c y ( o ) + q 口+ q ，+ 口& 】 ( m 鹄3 ) o v - ( m x g 以5 ) l l - m u q = a g c o s b c o s q ，+ 妥p u 2 s c # z f l + c q q + c 2 p + c 2 6 n q 。+ 如) p m u ( y s q + z s r ) = g c o s 0 ( y gs i n q ，+ z s c o s q o + 妥p u 2 s l k 2p + c ：q 七c 2p + c 挈6 n o y + 五5 ) 昏( m x g 一五5 ) w - m x g u q 2 一g ( z g s i n 0 + x g c o s0 s i n 们+ 去2 s l c # 肼f l + g q + g p + 务】 ( 乞+ 砧) 户+ ( 噬+ ：b o o + m x g u v = g ( 一唣c o s o c o s 缈+ y gs i n 0 ) + 去2 s l c n ( o ) + g a + g r + 嘴如】 ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 上述共1 5 个方程，共有“，v , w , p ，q ，仍0 ，妒，o f ，k ，乓，磊，u 十五个未知数， 1 5 中国海洋大学硕士学位论文 其余已知，方程是可求解的。由于本文研究的a u v 是五自由度的( a u v 左右两 边没有推动器) ，所以只需要让z 方向上的力等于零即可。由此方程，可以得到 a u v 的动力学模型，即空间运动方程，是研究a u v 的运动控制的基础。 2 3 本章小结 本章从定义描述a u v 的坐标系及参数入手，利用动量定理和动量矩定理得 到了a u v 的动力学方程，为后面的a u v 底层p i d 控制a u v 的仿真系统提供了 动力学模型和理论依据。 1 6 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 3 基于行为的自主式水下机器人控制策略 3 1 引言 在a u v 的控制研究中，种种问题的主要根源在于环境的复杂性、不可预知 性、对周围环境感知的不精确而带来的不稳定性以及a u v 本身缺乏灵活和自主 性。而从当前的技术水平和a u v 的主要任务来看，采用自主式方法来实现所需 的控制功能，就要求a u v 必须具有路径规划、自主避障以及自主导航能力，才 能适应复杂海底的情况，顺利的完成探测任务。针对上述情况，本章叙述了基于 行为的a u v 研究内容和体系结构，并将行为技术与模糊逻辑控制技术相结合， 设计了a u v 的基本行为。从而使a u v 在复杂环境下，自主完成趋向目标、避 开障碍物、沿障碍物走等任务。相应的仿真过程和结果将在后续章节给出。 3 2 基于行为的水下机器人控制体系结构 3 2 1 基于行为的水下机器人研究主要内容 基于行为的a u v 技术研究内容主要包括g 感知，行为，行为协调及其行为 控制结构等等。 1 、感知系统 机器人要到达某个目标，必须要利用外部环境的有关信息，即感知。对于机 器人来说，真实世界是复杂的并且是时变的，而基于行为的方法就是把真实世界 当作了机器人的感知模型，所以同时也对于基于行为控制系统的感知部分提出了 新要求。 这里主要有三种感知方法： ( 1 ) 面向动作感知：机器人的感知服务于机器人的行为动作。g r a e f e 提出了 用于基于行为机器人的面向对象的视觉，在对象识别和跟踪的行为中，这个视觉 可以在大量的环境像素中，寻找少量的有用信息，以便目标的实现 2 8 1 ： ( 2 ) 主动感知：机器人的动作依赖与机器人的感知。e r i eh u b e r 运用基于行 为的方法实现了一种主动立体感知技术，成功的用在了移动机器人上，实现了追 1 7 中国海洋大学硕士学位论文 踪其他智能、识别手势以及避障等功能【2 9 1 。本文所采用的正是主动感知方法； ( 3 ) 基于预测的感知：d o n g d o n gg u z 运用神经预测控制，基于模块化的预 测控制是在神经网络的基础上实现了路径的搜索【3 0 1 。 2 、行为描述和编码 有许多种方法可以用来有效的描述机器人的行为，这里介绍三种： ( 1 ) 刺激反应( s r ) 法：是最直观和最不正式的表述方法。任何一个行为都 可以表述成一个反应，这个反应是由一个刺激产生的： ( 2 ) 函数表示法：利用数学的方法，可以用一个函数b ( s ) 穹来表示一个行为， 该函数表示当给定一个刺激s 时，将产生反应r ，这时得到的行为就为b ； ( 3 ) 有限状态接收法：该方法主要是用于行为合成、转化的描述。它可以准 确的表示各个行为的活跃性，并且进行各个行为之间的转换。这种方法很少用于 表示单个行为。 为了给由刺激产生的响应行为编码，必须要构建一个从刺激空间到推动器空 间的函数映射。影响推动器的两个因素是：强度和方向。强度表示响应的大小， 与所给刺激的大小的关系无法确定。方向则表示响应动作的方向。例如：向刺激 源的反向移动，向吸引物的方向运动等等，这个方向与机器人本身的运动特性有 关。一个行为可以描述为一个二元组( s ，p ，r ) 。其中s 表示所有能够进行解释的 刺激的集合，r 表示所有可能的响应的集合，而p 是一个映射p ：s + r 。 行为的编码有两种情况： ( 1 ) 离散编码：b 包括了s 状态响应对的有限状态。感知部分提供了寻找 合适状态的索引。由某一状态产生的响应可能是非常简单的，如停止也可能很复 杂的，例如产生一系列的动作。另一种离散编码方法可以通过基于规则的系统来 实现，p 表示为i f - t h e n 规则的集合。上述规则采用这种形式：i f 条件t h e n 结果。 其中，条件包括所有的可能状态，结果则表示相应的电机响应，而本文采用的是 后一种编码方式； ( 2 ) 连续函数编码：这种方法主要体现在人工势场法上。人工势场法由 k h a t i b 于1 9 8 6 年提出，基本的思想是构造目标位姿引力场和障碍物周围斥力场 共同作用的人工势场，搜索势函数的下降方向来寻求无碰撞路径f 3 1 1 。 自主式水下机器人基于行为的控制方法研究 3 、协调机制 在基于行为的机器人控制系统中，不同的行为要完成不同的目标，多个行为 之间往往可能产生相互冲突，因而在设计基于行为的机器人控制系统时，一个主 要的问题就是如何形成有效的多行为活动协调机制，以实现机器人合理一致的整 体行为。这就是所谓的动作选择问题，亦即行为协调问题【3 2 】，行为协调机制的实 现方法可以分为两类：仲裁和命令融合【3 3 】。采用仲裁的行为协调机制在同一时间 允许一个行为实施控制，下一时间又转向另一个行为。而命令融合是将各个行为 的结果合成为一个命令，输入到机器人的执行机构。仲裁机制和命令融合机制均 有着许多具体的实现策略，它们各有其优势和不足。 仲裁机制就是从一组相互竞争的行为中选择一个行为使之获得机器人运动的 控制权，直到下一个选择单位来临。适用于协调机器人在动态的、变化的环境中 完成目标的行为，优点在于可以集中有限的系统资源处理与系统目标最相关的事 件。基于仲裁机制的行为协调问题可分为基于优先级的、基于状态的以及胜出控 制的三类，而这三类又分别有不同的实现方法。在基于优先级的选择机制中，通 过预先指派的优先级，由一个中心模块来进行行为的选择，这样具有较高优先级 的行为就将取得控制机器人运动的主导权 6 1 1 7 1 。基于状态的选择机制，是根据系 统当前所属状态，选择那些具有充分能力处理当前情况的动作【3 4 j 。胜出控制方法 是在一系列分布式的行为集中后竞争获胜的行为获得控制机器人的主导【3 5 1 。 命令融合机制是从一系列行为中，把推荐的行为组合起来形成一个控制动作， 代表被推荐行为的一致意见。命令融合机制通过以下三步来实现：首先，动作推 荐，依据一定的行为准则，由一个模块来产生推荐的动作；接着，行为集结，把 推荐的动作按照一定的规则组合起来；最后，动作选择，根据被推荐的动作组合 来选择合适的动作。命令融合也有三种方法，基于表决机制的命令融合，由行为 对每个动作集进行投票表决，经表决通过的动作集，即构成了机器人的可行动作 集合。行为的投票反映了其对可行动作集的一种偏好，最佳动作的选取取决于动 作所得投票的加权和是否最大，每个动作所得投票的权重由行为对其的偏好程度 在【0 ，1 】区间取值【1 6 1 【1 7 1 。基于叠加的命令融合，仿照物理学中电势和电场力的概 念，建立机器人工作空间中的虚拟力势场，采用矢量叠加的方式，其行为的输出 是虚拟力【