海流环境中水下步行机器人稳定性分析及基于稳定性的位姿规划与控制机理研究

Underwater walking robots have unique advantages in the seafloor environment with current, because underwater walking robots can walk continuously on the seafloor with multiple legs supporting. Underwater walking robots are qualified for the task that the AUV and ROV are not able or efficient to complete, especially in the exploration, observation, detection and operation on the seafloor. The project takes position-posture planning and control principles of the underwater walking robot in the seafloor environment with current based on the stability as the breakthrough point. Firstly, the stability of the underwater walking robot in the seafloor environment with current is analyzed, and a stability criterion for the underwater walking robot is proposed. Secondly, the relationship between the ocean current, position-posture of the underwater walking robot and the stability of the underwater walking robot is studied based on the stability criterion. Thirdly, the seafloor environment will be fully analyzed using the multi-sensor data fusion technique, and a strategy for position-posture planning of the underwater walking robot in the seafloor environment with current is proposed on the basis of the stability. Finally, a position-posture closed-loop control method with strong robustness and well adaptation to the seafloor environment with current is established for the underwater walking robot. The project will promote the research on the underwater walking robot, and effectively expand people’s space to explore the ocean and improve people’s ability to perceive the ocean.

水下步行机器人通过多条腿支撑在海底连续行走，在具有海流的海底环境中拥有独特优势。水下步行机器人在海底探测、观测、检测和作业中可以完成AUV、ROV所不能完成或者不能有效完成的任务。本项目以海流环境中基于稳定性的水下步行机器人位姿规划与控制作为研究切入点，首先，对海流环境中水下步行机器人稳定性进行分析，提出一种适于海流环境的水下步行机器人稳定性判据理论。其次，基于稳定性判据理论，探明海流、水下步行机器人位姿对水下步行机器人稳定性的作用机理。然后，根据多传感器融合技术对海底环境进行综合分析，基于稳定性提出一种适于海流环境的水下步行机器人位姿规划策略。最后，建立一种具有强鲁棒性的适于海流环境的水下步行机器人位姿闭环控制方法。本项目将促进水下步行机器人的研究，有效拓展人类探索海洋的空间并提升人类认知海洋的能力。

水下机器人通常工作在复杂多变的海洋环境中，当水下机器人在有海流的水域中航行时，不可避免的要受到海流产生的流压的作用。水下步行机器人具有良好的抗流、抗扰能力，其通过多条腿支撑在海底连续行走，在具有海流的海底环境中拥有独特优势。水下步行机器人在海底探测、观测、检测和作业中可以完成AUV、ROV所不能完成或者不能有效完成的任务。本项目首先对水下步行机器人动力学进行分析，构建了机器人整体动力学模型，并在此基础上对海流环境中水下步行机器人稳定性进行研究，建立了基于脚力转矩的机器人稳定性判据理论，实现了海流复杂环境中的水下步行机器人稳定性的有效、可靠评价；其次，开展了水下步行机器人水动力研究，建立了海流、水下步行机器人位姿和稳定性间关系的解析模型，并进行了仿真分析，明确了海流、水下步行机器人位姿对机器人稳定性的作用规律；然后，对水下步行机器人结构进行设计并采用流体仿真对其进行优化，研制了适于海流环境的水下步行机器人平台；进一步，根据多传感器融合技术对海底环境进行综合分析，基于稳定性对海流环境中水下步行机器人位姿规划策略进行研究，分别提出了基于状态识别的松紧耦合机器人位姿规划方法和具有机器学习的机器人位姿规划理论；最后，建立了水下步行机器人位姿控制模型，并结合非奇异快速终端滑模理论，构建了基于非奇异快速终端滑模的水下步行机器人位姿控制模型，实现了适于海流环境的水下步行机器人位姿的高精度、高鲁棒性控制。本项目揭示了海流、水下步行机器人位姿对机器人稳定性的作用机理，并研究了海流扰动下水下步行机器人位姿规划和控制方法，为水下步行机器人克服海流扰动，同时利用海流作用于自身的水动力使其更为稳固的立于海底提供了理论和技术支撑，从而为水下步行机器人灵活行走于复杂的海底环境奠定坚实的基础。