一种水下机器人自适应动力控制方法及系统

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，尤其涉及一种水下机器人自适应动力控制方法及系统。

背景技术

“水下机器人”指的是专门设计用于在水下环境中操作的机器人。这类机器人可以用于各种目的，包括海洋研究、水下勘探、管道和电缆的检查与维护、水下摄影，甚至进行军事用途。它们可以是遥控或自主式的，具备在水下导航、执行任务和收集数据的能力。水下机器人在深海探索、海洋生态系统研究、石油和天然气行业等领域发挥着重要作用；

然而现有技术中的水下机器人系统，具有如下缺陷：

有限的自适应能力：现有的水下机器人在自适应性方面有所不足，特别是在复杂和多变的水下环境中。这导致它们在遇到不预期的环境变化时效率低下或无法正确执行任务。

动力系统效率不足：传统的水下机器人在动力系统的管理和优化方面存在缺陷，如在深度调整、运动方向调整和温度补偿方面的效率不高，这导致能源消耗过高或机器人操作不稳定。

能源管理不充分：现有技术没有充分考虑到环境因素(如水温)对电池性能的影响，这导致机器人在某些条件下的性能下降。

目标检测和定位不精确：现有的水下机器人在目标检测和定位方面不够精确，这对于需要高精度操作的任务(如科学研究或特定的工程任务)来说是一个重大限制。

操作风险较高：由于缺乏高度自适应的控制系统，现有的水下机器人在复杂或未知环境中操作时面临更高的风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种水下机器人自适应动力控制方法及系统，其中所述方法根据实时测量的水下信息和环境条件来自动调整动力，使机器人能够适应不同的水下环境，维持稳定的性能。

第一方面，一种水下机器人自适应动力控制方法，包括：

获取机器人水下作业的水下信息；

基于获取的水下信息通过自适应算法生成机器人动力调整策略；

基于生成的机器人动力调整策略调整机器人水中作业的动力。

所述方法根据实时测量的水下信息和环境条件来自动调整动力，使机器人能够适应不同的水下环境，维持稳定的性能。

进一步地，水下信息包括目标物体信息、机器人的深度数据、水流的速度和方向数据、水温数据。采集信息多样化，使得机器人可以全面感知水下环境，从而更好地执行任务。

进一步地，机器人动力调整策略包括垂直深度改变策略、运动方向改变策略、温度补偿策略。

更进一步地，垂直深度改变策略是基于目标物体信息和机器人的深度数据计算检测深度差异，其中，深度差异是当前深度与期望深度的差值；根据检测深度差异计算机器人到达目标物体时垂直方向的相对推力，其中，相对推力指机器人水下作业时的垂直方向上阻力与机器人产生的动力之差。

更进一步地，运动方向改变策略是基于水流的速度和方向数据，通过向量运算计算机器人克服水流影响的运动方向改变量，调整机器人的动力方向，使其朝着目标运动方向，运动方向改变量的计算公式如下；

A＝Vt-V-W

式中，A为运动方向改变量；V表示当前机器人速度矢量；W为水流速度矢量；Vt为目标速度矢量。

更进一步地，温度补偿策略是基于水温数据，计算电池功率补偿值，并通过电池功率补偿值给予所述电池功率补偿值，调整电池供电的电流，以适应不同温度下电池的性能变化；其中，电池功率补偿值的计算公式为：

B＝Kt*(T1-T2)

其中，Kt为温度增益；T1为目标温度；T2为当前温度。

第二方面，一种水下机器人自适应动力控制系统，包括：

传感器模块：用于获取机器人水下作业的水下信息，并将水下信息传输给数据处理模块；

数据处理模块：用于根据传感器模块通过自适应算法生成机器人动力调整策略并发送给控制器模块；

控制器模块：用于根据数据处理模块发送的机器人动力调整策略调整动力模块的动力。

动力模块：用于提供机器人运动的动力。

进一步地，包括：传感器模块包括深度传感器、水流速度传感器、温度传感器、目标检测传感器；

所述深度传感器用于采集水下机器人的深度数据；

所述水流速度传感器用于采集水流的速度和方向数据；

所述温度传感器用于采集水温数据；

所述目标检测传感器为光学传感器，用于检测和识别水下目标物体信息。

更进一步地，控制器模块用于根据数据处理模块发送的机器人动力调整策略调整动力模块的动力具体为：

通过所述深度传感器的实时深度数据，获取水下机器人当前的垂直位置，使用所述深度数据来检测深度差异，所述深度差异是指当前深度与期望深度之间的差异，通过深度差异生成垂直深度改变策略，缩小当前深度与目标深度之间的差异；

分析水流速度传感器的数据，根据水流方向和强度生成运动方向改变策略，克服水流的推动力，使机器人能够保持在目标运动状态；

基于温度传感器的测量结果生成温度补偿方案，优化动力系统参数。

有益效果

本发明提出了一种水下机器人自适应动力控制方法及系统，所述方法可以根据实时测量的水下信息和环境条件来自动调整动力，使机器人能够适应不同的水下环境，维持稳定的性能；采集信息多样化，使得机器人可以全面感知水下环境，从而更好地执行任务；由于推力逐渐减小，机器人在接近目标深度时会减少额外的能源消耗，提高了能源效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种水下机器人自适应动力控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

如图1所示；本实施例一种水下机器人自适应动力控制方法，包括：

S1：获取机器人水下作业的水下信息；其中，水下信息包括目标物体信息、机器人的深度数据、水流的速度和方向数据、水温数据。采集信息多样化，使得机器人可以全面感知水下环境，从而更好地执行任务。

S2：基于获取的水下信息通过自适应算法生成机器人动力调整策略；其中，机器人动力调整策略包括垂直深度改变策略、运动方向改变策略、温度补偿策略。使用自适应算法，可以根据实时测量的水下信息和环境条件来自动调整动力系统，使机器人能够适应不同的水下环境，维持稳定的性能

具体地，垂直深度改变策略是基于目标物体信息和机器人的深度数据计算检测深度差异，其中，深度差异是当前深度与目标深度的差值；根据检测深度差异计算机器人到达目标物体时垂直方向的相对推力，其中，相对推力指机器人水下作业时的垂直方向上阻力与机器人产生的动力之差；

系统首先利用深度传感器来确定水下机器人当前的深度，并将这一深度与预设的的期望深度进行比较；这一比较的结果，即当前深度与期望深度之间的差异，被定义为深度差异。

基于深度差异，系统需要计算出为了达到期望深度所需的推力，这一计算考虑了几个因素：

阻力：在水下，机器人会遭遇阻力，这主要取决于其速度、形状、大小以及周围水的密度和流动性；

当前动力：机器人本身产生的动力，这取决于其动力系统的能力和当前设置；

相对推力的确定：相对推力是指为了克服水下阻力并改变深度所需的额外推力；它是通过计算水下阻力与机器人当前产生的动力之差来确定的。这一推力需要随着机器人接近目标深度逐渐减小，并在达到目标深度时趋于零。

动力系统的调整：根据计算出的相对推力，动力系统会作出相应的调整，包括增加或减少推进器的功率、改变推进器的角度或速度等。

反馈循环：整个过程是一个动态的反馈循环。系统不断地监测深度和速度，计算出新的深度差异和相对推力，并相应地调整推进器，直到达到期望深度。

相对推力随着机器人接近目标深度而逐渐减小，并在达到目标深度时趋向于零。通过垂直深度改变策略能够确保机器人平稳地缩小当前深度与目标深度之间的差异。

垂直深度改变策略的有益效果可以总结如下：

精确深度控制：垂直深度改变方案允许动力组件调整推力，以使机器人的垂直位置更精确地接近目标深度。这有助于机器人执行需要特定深度的任务，如海底勘探或水下结构维修。

减小深度误差：通过逐渐减小相对推力，机器人在接近目标深度时可以更加平稳地减小深度误差，避免了突然的深度变化，提高了深度控制的稳定性。

目标深度趋近零误差：当机器人达到目标深度时，相对推力趋向于零，意味着机器人将停止深度变化，从而实现目标深度的精确控制。

减少能源消耗：由于推力逐渐减小，机器人在接近目标深度时会减少额外的能源消耗，提高了能源效率。

运动方向改变策略是基于水流的速度和方向数据，通过向量运算计算机器人克服水流影响的运动方向改变量，调整机器人的动力方向，使其朝着目标运动方向，确保机器人能够保持在目标运动状态，所述目标运动状态指的是机器人在执行任务时，希望达到的运动模式，包括特定的速度、方向、深度和相关动态参数，旨在确保机器人能够有效、安全地完成其水下任务。运动方向改变量的计算公式如下：

A＝Vt-V-W

式中，A为运动方向改变量；V表示当前机器人速度矢量；W为水流速度矢量；Vt为目标速度矢量。

运动方向改变策略的有益效果可以总结如下：

适应水流影响：通过向量运算计算运动方向改变量，系统能够充分考虑水流速度和方向的影响，从而使机器人能够更好地适应水流对其运动的干扰。

维持目标运动方向：计算出的运动方向改变量A可以用来调整机器人的动力方向，使其朝向目标运动方向。这有助于机器人保持在既定的路径上，避免被水流带离目标。

提高运动控制精度：通过根据实际速度、水流速度和目标速度计算运动方向改变量，系统可以更精确地控制机器人的运动，确保其在水流影响下仍能够按照预定路径前进。

增强任务执行能力：运动方向改变方案有助于机器人在水流强度较大的环境中更好地执行任务，如搜索、搜寻和水下作业等。

水温可以影响机器人的电子设备性能和动力系统效率。温度补偿策略是基于水温数据，计算电池功率补偿值，并通过电池功率补偿值给予所述电池功率补偿值，调整电池供电的电流，以适应不同温度下电池的性能变化；其中，电池功率补偿值的计算公式为：

B＝Kt*(T1-T2)

其中，Kt为温度增益；T1为目标温度；T2为当前温度。

温度补偿策略的有益效果可以总结如下：

电池性能优化：通过计算电池功率补偿值，系统可以根据当前温度和目标温度来调整电池供电的电流。这有助于优化电池性能，确保在不同温度下仍能提供稳定的电力输出。

温度稳定性：通过根据温度变化进行补偿，系统可以减小温度对电池性能的负面影响，提高了机器人在不同水温条件下的稳定性。

延长电池寿命：电池功率补偿方案可以有效管理电池的电流供应，减少了在极端温度条件下可能导致的电池过热或过冷，从而有助于延长电池寿命。

提高系统可靠性：温度补偿方案有助于提高系统的可靠性，确保机器人能够在各种温度条件下持续执行任务，减少了因温度变化而引发的性能波动和故障风险。

综上所述，温度补偿方案通过优化电池性能、提高温度稳定性、延长电池寿命和提高系统可靠性，使水下机器人能够在不同水温条件下高效工作，从而增强了其在水下任务中的适应能力和可操作性。

S3：基于生成的机器人动力调整策略调整机器人水中作业的动力。

实施例2

本实施例提供了一种水下机器人自适应动力控制系统，包括：

传感器模块：用于获取机器人水下作业的水下信息，并将水下信息传输给数据处理模块；其中，传感器模块包括深度传感器、水流速度传感器、温度传感器、目标检测传感器。所述深度传感器用于采集水下机器人的深度数据；所述水流速度传感器用于采集水流的速度和方向数据；所述温度传感器用于采集水温数据；所述目标检测传感器为光学传感器，用于检测和识别水下目标物体信息。多种传感器的综合使机器人能够全面感知水下环境，提供了丰富的环境信息。通过联动这些传感器，系统可以更好地理解水下环境，从而更好地执行任务。

数据处理模块：用于根据传感器模块通过自适应算法生成机器人动力调整策略并发送给控制器模块；

具体地，机器人动力调整策略调整动力模块的动力具体为：

通过所述深度传感器的实时深度数据，获取水下机器人当前的垂直位置，使用所述深度数据来检测深度差异。所述深度差异是指当前深度与期望深度之间的差异。通过深度差异生成垂直深度改变策略，缩小当前深度与目标深度之间的差异。有助于确保机器人能够稳定地控制深度，以满足任务需求。

分析水流速度传感器的数据，根据水流方向和强度生成运动方向改变策略，克服水流的推动力，使机器人能够保持在目标运动状态；

基于温度传感器的测量结果生成温度补偿方案，优化动力系统参数。水温对机器人的电子设备性能和动力系统效率具有重要影响。通过温度补偿策略，优化动力系统参数，使机器人能够在不同水温条件下的进行适应性的调整，更好的完成水下任务。

数据处理模块采用自适应算法，根据实时测量的水下信息和环境条件生成机器人动力调整策略，包括对深度控制的垂直深度改变策略、对水流适应性的运动方向改变策略和对温度的温度补偿策略。根据不同的数据生成相应的控制策略，从而提高机器人在不同水下环境中的适应能力和稳定性。

控制器模块：用于根据数据处理模块发送的机器人动力调整策略调整动力模块的动力，实现对机器人精确的运动控制，是机器人可以适应不同的水下环境，具备更强的自适应性和任务执行能力，提高水下任务的成功率和效率。

动力模块：用于提供机器人运动的动力。本实施例中，电池作为机器人的电源供应。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。