多运动模态混合型无人水下航行器建模、控制与优化

According to practical requirements of the ocean exploration and utilization, this project proposes a novel underwater vehicle which has three motion modes, namely cruising, walking and climbing. The outline of this project is shown as follows: 1) We analyze the switching conditions among the multiple modes and build an unified system model for the multi-mode underwater vehicle. 2) In the cruising mode, we propose a novel trajectory control method based on deep-learning with the disturbances of the inputs and uncertainties of the system model taken into account simultaneously. 3) In accordance with several constrains in the walking mode, we develop a CPG controller by using the biological principles. Then, an adaptive control law is proposed such that the vehicle can automatically choose the walking mode in different situations. 4) While studying the cooperative strategies between the thrusters and feet of the vehicle, we propose an optimal control algorithm such that the vehicle can work well in some complex environments actuated by both the thrusters and the feet. On these bases, we will fabricate a multi-mode underwater vehicle and verify the proposed control algorithms through extensive experiments. Based on the research in this project, we will provide several contributions for the modeling, control and optimization for multi-model underwater vehicles in both theory and practical applications.

针对水下探测与作业的高精度控制需求，研究一类具有巡游、行走和攀爬能力的多运动模态混合型水下航行器的建模、控制与优化问题，主要研究内容包括：①分析巡游、行走和攀爬模态之间临界切换条件，建立多模态统一系统模型。②采用基于强化学习的神经网络逼近未知干扰及模型不确定性，结合有限时间收敛理论和Lyapunov定理设计巡游控制算法。③基于行走模态典型工况下的步态约束，采用仿生学方法设计CPG控制器，设计步态反馈控制器校正其控制参数，利用自适应控制提出行走模态下的自适应步态规划与控制解决方案。④研究协调控制腿足和推进器抵抗干扰的方法，设计攀爬模态下的游走混合水下航行器最优“足力-推进器”协调优化控制策略。在上述工作基础上，研制基于仿生刀锋腿（一种高弹性模量弧形驱动机构）的多运动模态混合型水下航行器，通过水池实验验证所提出的各种算法。通过本项目的研究，为新型多模态水下航行器的设计与应用提供理论和技术基础。

水下航行器在海洋资源开发、海洋监测以及海洋生态保护中发挥了重要作用。对于复杂海洋环境下的探索开发，例如在海底、船侧进行降落、攀爬或挖掘作业，推进器式水下航行器的局部作业能力略显不足。为使水下航行器同时具备大范围移动能力和小范围复杂作业能力，本项目开展了多运动模态混合型水下航行器建模、控制及优化研究，主要研究内容和成果包括：①分析了混合型水下航行器在不同模态下运动时的约束条件，建立了适用于各模态的系统数学模型，揭示了水下航行器的运动机理；②针对巡游模态下存在未知外界干扰及未建模动态的问题，提出了复杂水下环境下航行器高精度运动控制方法，使其具备了以期望运动参考量大范围巡游和自主着落壁面的能力；③针对海底行走工况复杂多变的问题，设计了基于捕获点理论的稳定性判据，提出了面向多种工况的多腿协调自适应步态规划方法，提高了水下航行器的环境适应能力；④针对攀爬模态下航行器因腿与推进器难协调所导致易摔倒的问题，设计了一种稳定空间生成和稳定性增强方法，提出了面向崎岖面攀爬及不同倾角壁面跨越的“足力-推进器”协调控制方法，实现了水下航行器在非结构化地形上的稳定攀爬；⑤研制并搭建了一款由半圆弧型刀锋腿和推进器共同驱动的新概念混合型水下航行器，开展了水池实验，实现了其多模态运动，验证了本项目所提方法的有效性。本项目研究期间内，共发表（含录用）科技论文18篇，其中SCI索引11篇；申请国家发明专利9项，已授权7项，培养硕博士生11名。项目负责人获省部级科技奖1项，其他奖项2项。.通过本项目的研究，项目组创新地研制了一种兼具巡游、行走及攀爬能力的多运动模态混合型水下航行器，突破了该类水下航行器建模因素统一数学表征、未知海洋动态环境下不确定干扰补偿、多约束多腿协调自适应行走机制及面向稳定攀爬的“足力-推进器”协调优化控制等关键科学问题，实现了其在复杂工况下的稳定运动，提高了水下航行器的环境适应性及移动能力，为新型水下航行器理论研究及工程应用提供了参考。