一种水下仿生机器人协作运输方法

摘要

本发明涉及一种水下仿生机器人的协作运输方法，其包括以下步骤：(1)基于“极限环”原理的位姿控制，(2)基于“舒适圆”法的路径规划，(3)基于模糊推理的同步控制，(4)基于模糊推理的运输方向控制。本发明采用了基于“极限环”方法的位姿控制方法，通过巧妙的控制水下机器人的速度和方向，可以从理论上和实际上都能保证机器人的位姿收敛到目标位姿，从而解决了水下机器人的位姿控制问题。本发明还采用了基于“舒适圆”的路径规划方法，从而降低了复杂水下环境中机器人控制的复杂度，并简化了问题空间的维度。同时本发明采用了基于模糊推理的运动规划方法，从而有效地防止了水下机器人由于惯性的作用对运输对象的撞击，实现了机器人的同步控制及对运输对象方向的平稳控制。

主权项

1、一种水下仿生机器人的协作运输方法，其包括以下步骤：(1)基于“极限环”原理的位姿控制以目标点为切点、以目标方向为切线方向作一个切圆，那么即可以确定圆心B(x0，y0)的位置，用v表示机器人在原始坐标系下的线速度，用α表示运动的方向，可以得到：$v=\sqrt{{\stackrel{·}{\stackrel{‾}{x}}}^2+{\stackrel{·}{\stackrel{‾}{y}}}^2}①$ \alpha =\arctan \frac{\stackrel{·}{\stackrel{‾}{y}}}{\stackrel{·}{\stackrel{‾}{x}}}②其中$ \stackrel{·}{\stackrel{‾}{x}}=\lambda (\bar{y}-y_0+\gamma (\bar{x}-x_0)(r^2-{(\bar{x}-x_0)}^2-{(\bar{y}-y_0)}^2))③$ \stackrel{·}{\stackrel{‾}{y}}=\lambda (-\bar{x}+x_0+\gamma (\bar{y}-y_0)(r^2-{(\bar{x}-x_0)}^2-{(\bar{y}-y_0)}^2))(x，y)是机械人在极限环上的目标点在二维坐标系下的平面坐标，\gamma ，\lambda 均为正的参数，r为切圆的半径，通过①、②、③式控制机器人的运动速度和方向，即可实现机器人的位姿控制；(2)基于“舒适圆”法的路径规划(a)向决策树输入目标位置信息、摄像头采集到的视觉信息、包括机器人和运输物的位置和方向信息；(b)通过决策树生成一组相互排斥、并且完整描述了问题空间的“情况”；(c)相应于各种“情况”，设计机器人的行为，使其在最小转弯半径的限制下，沿一条合适的路径向目标位姿运动；(d)根据“舒适圆”法规划从机器人位置到目标位置的路径，并根据代价评估函数分配各机器人在协作运输中的角色；(3)基于模糊推理的同步控制WL(i)、WR(j)分别为机器人i和机器人j分配为左角色和右角色的代价，将WL(i)、WR(j)表示为模糊集\{L，M，S\}，分别代表大，中，小；将机器人的速度VL、VR表示为模糊集\{F，M，S\}，分别代表快速、中速和慢速，设计以下模糊规则：1)如果WL(i)为L且WR(j)为L，那么VL为F，VR为F；2)如果WL(i)为L且WR(j)为M，那么VL为F，VR为M；3)如果WL(i)为L且WR(j)为S，那么VL为F，VR为S；4)如果WL(i)为M且WR(j)为L，那么VL为M，VR为F；5)如果WL(i)为M且WR(j)为M，那么VL为F，VR为F；6)如果WL(i)为M且WR(j)为S，那么VL为F，VR为S；7)如果WL(i)为S且WR(j)为L，那么VL为S，VR为F；8)如果WL(i)为S且WR(j)为M，那么VL为S，VR为F；9)如果WL(i)为S且WR(j)为S，那么VL为M，VR为M，使用Mamdani类型的推理方式，机器人的最终速度由“重心法”去模糊得到，表达式如下：$ \overline{\mathrm{VL}}={\Sigma }_{k=1}^9{\mathrm{VL}}_k{x}_k/{\Sigma }_{k=1}^9{x}_k,$ \overline{\mathrm{VR}}={\Sigma }_{k=1}^9{\mathrm{VR}}_k{x}_k/{\Sigma }_{k=1}^9{x}_k④xk＝min\{x1k1，x2k2\}\; ⑤在④、⑤式中，xk为第k条规则“如果”部分的联立程度，其中k＝1，\dots ，9；x1k1\; 为WL(i)对第k条规则的隶属度，x2k2为WR(j)对第k条规则的隶属度，VLk与VRk为从第k条规则得到的输出；(4)基于模糊推理的运输方向控制将箱子方向相对于目标方向的角度\theta 用模糊集\{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB\}表示，分别代表正大，正中，正小，零，负小，负中，负大；将机器人的速度VL、VR表示为模糊集\{F，M，S\}，分别代表快速、中速和慢速，设计以下模糊推理规则：1)如果\theta 为PB，那么VL为F，VR为S；2)如果\theta 为PM，那么VL为M，VR为S；3)如果\theta 为PS，那么VL为M，VR为S；4)如果\theta 为Z，那么VL为M，VR为M；5)如果\theta 为NS，那么VL为S，VR为M；6)如果\theta 为NM，那么VL为S，VR为M；7)如果\theta 为NB，那么VL为S，VR为F，采用Mamdani类型的推理方式，机器人的最终速度同样由“重心法”去模糊得到。$$$$$$