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JPH0562764B2 - - Google Patents
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JPH0562764B2 - - Google Patents

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JPH0562764B2
JPH0562764B2 JP61233259A JP23325986A JPH0562764B2 JP H0562764 B2 JPH0562764 B2 JP H0562764B2 JP 61233259 A JP61233259 A JP 61233259A JP 23325986 A JP23325986 A JP 23325986A JP H0562764 B2 JPH0562764 B2 JP H0562764B2
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JP
Japan
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robot
control
thrust
target
calculation means
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JP61233259A
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JPS6388603A (en
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Isamu Uchihara
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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  • Feedback Control In General (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、海中並びに水中を3次元的に位置、
姿勢保持並びに走行するロボツトの運動を制御す
る方法に関するものであり、更に詳細には潮流等
によつてロボツトが受ける影響を補償した制御方
法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention provides three-dimensional positioning,
The present invention relates to a method of maintaining posture and controlling the movement of a running robot, and more specifically, to a control method that compensates for the influence of tidal currents on the robot.

〔従来技術〕[Prior art]

近年、各種の海洋開発、海洋石油生産プラツト
ホーム等の海中構造物、海中接地機器等の保守、
点検、整備作業等を従来のダイバーに代りロボツ
トが行うようになり、この手の海洋開発支援の海
中ロボツトは今後はますます普及するものと考え
られる。
In recent years, we have been involved in various offshore developments, maintenance of underwater structures such as offshore oil production platforms, underwater grounding equipment, etc.
Robots have come to perform inspections, maintenance work, etc. in place of conventional divers, and it is thought that this type of underwater robots to support ocean development will become even more popular in the future.

これらのロボツトには、軌道上を走行して移動
するもの、海底を移動するもの等も使用されてい
るが、今後、ダイバーのように海中を自由に遊泳
できるロボツトがますます必要になることが予想
され、各種のロボツトの開発が行われている。
Some of these robots are those that travel on orbits and those that move on the ocean floor, but in the future, robots that can swim freely under the sea like divers will become increasingly necessary. This has been predicted and various robots are being developed.

海中を遊泳するロボツトが作業する環境は、潮
流等の流れや海中建造物により生じるカルマン
渦、その他各種の水流の影響を受ける。一般にロ
ボツトの形状は、円板状等水の抵抗を受ける方向
によつて作用する力が著しく異なる場合が多く、
位置保持並びに走行制御中に、ロボツトの姿勢を
変化させると前記のように水流から受ける力が急
変してバランスを失い目標(位置又は走行ルー
ト)を外れて流され、又場合によつては制御不能
になる等の問題がある。
The environment in which a robot swimming underwater operates is affected by currents such as tidal currents, the Karman vortex caused by underwater structures, and various other water currents. In general, robots often have a shape such as a disc, where the force acting on them differs significantly depending on the direction in which they receive water resistance.
If the posture of the robot changes during position maintenance and travel control, the force it receives from the water flow will suddenly change as described above, causing it to lose its balance and drift away from its target (position or travel route), and in some cases, the robot may lose its control. There are problems such as becoming disabled.

したがつて、従来からこの種のロボツト走行、
姿勢等の制御方法については、潮流に対してロボ
ツトの姿勢を変えない方法が採られていて、海中
でのロボツトの活動は非常に制限されている。し
かしながら潮流中で自動的に位置・姿勢保持並び
に走行し作業するロボツトの好適な制御方法は未
だ得られていない。したがつて、ダイバーが潮流
に流されたり、カルマン渦に巻き込まれる危険の
ある海域での作業をロボツトに完全に置き換える
には至つていない。
Therefore, this type of robot driving has traditionally been
Regarding the control method of the robot's attitude, etc., a method is adopted that does not change the attitude of the robot in response to the current, and the activities of the robot under the sea are extremely limited. However, a suitable control method for a robot that automatically maintains its position and posture, runs, and performs work in tidal currents has not yet been obtained. Therefore, robots have not yet been able to completely replace work in areas where divers are at risk of being swept away by currents or caught in the Karman vortex.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、以上の問題点の解決のために成され
たもので、潮流等、水の流れのある作業環境中で
ロボツトが位置保持並びに走行制御中に自由に姿
勢を変更してもロボツトがバランスを失う危険が
なく、しかも安定した位置保持並びに走行が可能
な制御方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the present invention allows the robot to maintain its position even if it freely changes its posture during position maintenance and travel control in a work environment with water flow such as tidal currents. The object of the present invention is to provide a control method that allows stable position maintenance and running without the risk of losing balance.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

以上の目的を達成するための本発明の海中ロボ
ツトの3次元制御方法の構成は、流れのある流体
中を遊泳するためのロボツトの制御において、 (a) 時刻kにおける制御入力u(k)と時刻k+1に
おける目標値に対する偏差e(k+1)とを変
数とする2次形の性能評価関数Jを設定し、こ
の性能評価関数Jが極小となる制御ゲインGを
決定し、このゲインGと状態推定値X^とから最
適制御入力uを式u=−G・X^から求め、目標
に対する偏差eにフイードバツクされて目標を
達成する推力Tcを算出し、且つ、 (b) 前記ロボツトが姿勢を変更した際、前記ロボ
ツトに対する前記潮流の流速及び流向によりロ
ボツトに作用する力を打ち消す推力X^bを、予
め前記ロボツトの仰角αと横滑り角βとの関数
として準備した三次元流体抵抗及びモメント係
数テーブルから求める係数C^ij(α、β)と前記
潮流の流速Vcから算出し、 (c) 前記2つの推力のベクトル和Tp=T^b+Tc
を前記ロボツトの推力として出力することを特
徴としている。
The configuration of the three-dimensional control method for an underwater robot according to the present invention to achieve the above object is as follows: (a) Control input u(k) at time k and A quadratic performance evaluation function J with the deviation e(k+1) from the target value at time k+1 as a variable is set, a control gain G at which this performance evaluation function J is minimum is determined, and this gain G and state estimation are (b) The robot changes its attitude by calculating the optimal control input u from the value A three-dimensional fluid resistance and moment coefficient table prepared in advance as a function of the elevation angle α and sideslip angle β of the robot, which calculates the thrust force X^b that cancels the force acting on the robot due to the flow velocity and direction of the tidal current against the robot. Calculated from the coefficient C^ij (α, β) obtained from
is characterized in that it is output as the thrust of the robot.

本発明において、前記のGをゲインとする最適
フイードバツク制御uを求める演算は、ベルマン
の最適性の原理に基づくダイナミツクプログラミ
ングン手法を利用して行われる。
In the present invention, the calculation for determining the optimal feedback control u using G as the gain is performed using a dynamic programming method based on Bellman's principle of optimality.

本発明の実施するに際し、前記推力Tc(以下最
適制御推力という)を算出する際の前記の2次性
能評価関数は、例えば次の式 J=k=0 {e2(k+1)+w・u2(k)} (1) 但し、(1)式においてw(w≧0)は重み係数を
表す。
When implementing the present invention, the above-mentioned secondary performance evaluation function when calculating the above-mentioned thrust force Tc (hereinafter referred to as optimal control thrust force) is, for example, the following formula J= k=0 {e 2 (k+1)+w・u 2 (k)} (1) However, in equation (1), w (w≧0) represents a weighting coefficient.

そして、この最適制御推力を求める実際の手順
を以下に示す。なお説明の便宜のため位置P及び
姿勢Oを目標値とする場合について説明する。地
面固定座標系(XEYEZE系)において、目標値P0
と観測により達成される推定値P^等との偏差値を
修正するに必要な垂直Tc″と、前記推定値P^(位
置)及びO^(姿勢)に基づき状態推定値アルゴリ
ズム(観測器)によりロボツトの状態推定値X^
(ロボツトの位置、速度、加速度、姿勢角、角速
度、角加速度の推定値を示す。)を算出し、更に
この推定値X^に対し、前記2次形の性能評価関数
Jを最小にする制御ゲインGを乗算した最適制御
u=−G・X^から演算される推力Tc′とから潮流
等の影響で発生した偏差(ドリフト等)を補償す
る推力Tcを算出する。
The actual procedure for determining this optimal control thrust is shown below. Note that for convenience of explanation, a case will be described in which the position P and the orientation O are set as target values. In the ground-fixed coordinate system (X E Y E Z E system), the target value P 0
The state estimation value algorithm (observer) is based on the vertical Tc'' required to correct the deviation between the estimated value P^, etc. achieved by observation, and the estimated value P^ (position) and O^ (orientation). The estimated state of the robot is
(indicates the estimated values of the robot's position, velocity, acceleration, attitude angle, angular velocity, and angular acceleration), and further controls to minimize the quadratic performance evaluation function J for this estimated value X^. A thrust force Tc that compensates for deviations (drift, etc.) caused by the influence of tidal currents, etc. is calculated from the thrust force Tc' calculated from the optimal control u=-G·X^ multiplied by the gain G.

前記推力Tcの算出手段は任意であるが、CPU
により制御装置では、例えば、最適制御推力Tc
をTc″−Tc′として算出し、更にこのTcを実測に
基づく現在位置、姿勢の推定値P^、X^と共に状態
推定アルゴリズムに入れて再度計算し、この結果
をロボツトに出力するようにすることができる。
この最適制御推力Tcによるロボツトの制御動作
を繰り返すことにより目標値からの偏差値が逐次
ゼロとなるように修正される。
The calculation means for the thrust force Tc is arbitrary, but the CPU
For example, in the control device, the optimal control thrust Tc
is calculated as Tc″−Tc′, and further this Tc is entered into the state estimation algorithm along with the estimated values P^ and X^ of the current position and orientation based on actual measurements, and the calculation is performed again, and this result is output to the robot. be able to.
By repeating the robot control operation using this optimal control thrust Tc, the deviation value from the target value is successively corrected to zero.

本発明を実施するに際し、前記推力T^b(以下ダ
イナミツクバランス推力という)を算出するに
は、まず前記の流体抵抗及びモメント係数C^ij
(α、β)を3次元流体抵抗及びモメント係数テ
ーブルから求める必要がある。その方法は、ロボ
ツトの対水速度V^とロボツトの状態推定アルゴリ
ズムより推定したロボツトの絶対速度V^′より潮
流方向α、β及び潮流速度Vcを求める。この潮
流方向α、βにより、前記テーブルからC^ij(α、
β)を検索する。
When carrying out the present invention, in order to calculate the thrust T^b (hereinafter referred to as dynamic balance thrust), first the fluid resistance and moment coefficient C^ij
It is necessary to find (α, β) from the three-dimensional fluid resistance and moment coefficient table. In this method, the tidal flow directions α, β, and tidal current velocity Vc are determined from the robot's water velocity V^ and the robot's absolute velocity V^' estimated by the robot state estimation algorithm. Based on the current directions α and β, C^ij (α,
β).

前記テーブルは、例えば、当該ロボツトを水槽
に入れて一定方向からの水流に対し種々の姿勢と
したときに受ける力を実測して求めることができ
る。このようにして求めた流体抵抗及びモメント
係数は、前もつて制御装置内に記憶される。そし
て、前記ダイナミツクバランス推力は、気体固定
座標系(XRYRZR系)において3次元のx、y、
z軸に対する分力と、各軸の回りのモメント
(φ、θ、ψでそれぞれx、y、z各軸回りを表
現する)をそれぞれT^bx、T^by、T^bz、T^bφ、
T^bθ、T^bψとすると、 T^b、x、y、z=C^ij(α、β) ・1/2・ρ・Vc2・Vb2/3 (2) T^b、φ、θ、ψ=C^ij(α、β) ・1/2・ρ・Vc2・Vb (3) 但し、式中Vcは流速、Vbは無次元化基準体
積、Vb2/3は無次元化基準面積をそれぞれ表す。
The table can be determined, for example, by actually measuring the forces received when the robot is placed in a water tank and held in various postures against water flowing from a certain direction. The fluid resistance and moment coefficient determined in this way are previously stored in the control device. The dynamic balance thrust is defined by three- dimensional x, y,
The component force on the z-axis and the moment around each axis (φ, θ, and ψ represent the x, y, and z axes, respectively) are T^bx, T^by, T^bz, and T^bφ, respectively. ,
If T^bθ, T^bψ, T^b, x, y, z = C^ij (α, β) ・1/2・ρ・Vc 2・Vb 2/3 (2) T^b, φ , θ, ψ=C^ij (α, β) ・1/2・ρ・Vc 2・Vb (3) However, in the formula, Vc is the flow velocity, Vb is the dimensionless reference volume, and Vb 2/3 is the dimensionless Each represents the standard area.

なお、前記係数C^ij(α、β)は、ロボツトの潮
流に対する相対的角度である仰角α、横滑り角β
によつて表現することにより絶対的姿勢を考慮す
ることなくT^bをもとめることが可能である。
The coefficients C^ij (α, β) are the elevation angle α, which is the relative angle of the robot to the tidal flow, and the sideslip angle β.
By expressing it as , it is possible to obtain T^b without considering the absolute attitude.

〔実施例〕〔Example〕

以下図面を対照として一実施例により本発明の
ロボツト制御方法を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The robot control method of the present invention will be explained below by way of an embodiment with reference to the drawings.

第1図は、本実施例の対象とするロボツトに搭
載された制御装置の制御演算処理の内容を示すブ
ロツク図であり、図の点線内はコンピユータから
なるT^b及びTc演算の制御ブロツクを示してお
り、第2図は制御のソフトウエアの全体的構成を
示すブロツク図である。
Fig. 1 is a block diagram showing the contents of the control calculation processing of the control device installed in the robot that is the subject of this embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing the overall configuration of the control software.

本実施例に使用のロボツトは3つの制御モード
に従つて操作されるように構成されている。即
ち、第1図に示すように位置、姿勢制御モードに
よる制御手段1、定速度ルートトラツキング制御
モードによる制御手段2及び壁面フオロー制御モ
ードによる制御手段3の各動作を選択することが
できる。そして、これらの各制御モードを、オペ
レータは切換操作手段4によつて作業手順に従い
適宜選択する。この切換操作手段4は、遠隔操作
によつて作業中随時切換可能である。したがつ
て、この選択操作によつてロボツトに設けられた
制御装置に予め入力されたプログラムから当該作
業手順のプログラムが実行される。
The robot used in this embodiment is configured to be operated according to three control modes. That is, as shown in FIG. 1, each operation of the control means 1 in the position and attitude control mode, the control means 2 in the constant velocity route tracking control mode, and the control means 3 in the wall follow control mode can be selected. Then, the operator appropriately selects each of these control modes using the switching operation means 4 according to the work procedure. This switching operation means 4 can be switched at any time during work by remote control. Therefore, by this selection operation, a program for the work procedure is executed from a program input in advance to a control device provided in the robot.

なお、前記位置、姿勢制御モードは、地面固定
座標系(XEYEZE系)においてロボツトの現在位
置、姿勢状態によりオペレータが新たに設定した
海中位置及び姿勢にロボツトを移動させるための
制御モードであり、ロボツトが辿り着くべき位置
P(3次元の位置:x、y、z)及びロボツトの
方位、即ち姿勢O(海中に固定された3次元座標
の各軸に対する角度:φ、θ、ψ)を指定するも
のである。本実施例におけるこのモードで制御す
るための指定は、位置P及び姿勢Oについて最終
的に制御したい値を指定し、移動速度Uは指定し
なかつた。
The position and attitude control mode is a control mode for moving the robot to a new underwater position and attitude set by the operator based on the robot's current position and attitude in the ground-fixed coordinate system (X E Y E Z E system). The mode is the position P (three-dimensional position: x, y, z) that the robot should reach and the robot's orientation, that is, the posture O (angles with respect to each axis of the three-dimensional coordinate fixed in the sea: φ, θ, ψ). The specification for controlling in this mode in this embodiment specifies the values to be ultimately controlled for the position P and orientation O, but does not specify the moving speed U.

定速度ルート・トラツキング制御モードは、ま
ず第一にロボツトを構造物目標位置へオペレータ
が遠隔操作により海中空間内に設定したルートに
沿つて誘導し、第二に対象物の近傍に遠隔で設定
された目標ルート上から対象物を観察するため
に、目標ルート上を定速度で走行する制御モード
であり、地面固定座標系(XEYEZE系)における
前記位置Po、姿勢Oo及びルート方向の移動速度
Uを順次、プログラムにより指定するものであ
る。
In the constant speed route tracking control mode, firstly, the robot is guided to a target structure position along a route set in underwater space by an operator by remote control, and secondly, the robot is guided remotely to a target structure location along a route set in underwater space. This is a control mode in which the object is traveled at a constant speed along the target route in order to observe the object from the target route. The moving speed U of 1 is sequentially specified by a program.

前記壁面フオロー制御モードは、曲面構造物に
対面し、構造物との距離を一定に保ち、その周囲
を定速移動しながら対象を観察する作業を行うた
めの制御モードであり、対壁面姿勢O、ルート方
向の移動速度Uの外に壁面からの保つべき距離L
を指定するものである。
The wall follow control mode is a control mode for observing a target while facing a curved structure, keeping a constant distance from the structure, and moving around the structure at a constant speed. , the distance L to be maintained from the wall in addition to the moving speed U in the route direction
is specified.

なお、第2図は、前記3つの制御モードの内の
位置、姿勢制御モード1が選択された場合につい
て図示されているが、他のモードが選択された場
合も他は全く同様の構成であることは明らかであ
る。そして、本発明に係る演算手段は第2図の点
線で囲んだ目標偏差値演算手段51及び推力演算
手段52であり、その他は従来のこの種のロボツ
トの制御に用いられる手段によつて構成されてい
るものである。
Note that although FIG. 2 illustrates the case where position and attitude control mode 1 is selected among the three control modes, the other configurations are exactly the same when other modes are selected. That is clear. The calculation means according to the present invention are the target deviation value calculation means 5 1 and the thrust calculation means 5 2 surrounded by the dotted line in FIG. 2, and the others are conventional means used for controlling this type of robot. It is configured.

本発明に係る前記演算手段51及び52に与える
データは、プログラムに基づきロボツトが取るべ
き位置Po(3次元的)の目標値、ロボツトが向く
べき方位、即ち姿勢Oo、ロボツトの移動速度V0
の3つの値の内必要とする値と、実測に基づく現
在位置、姿勢の推定値P^、O^と状態推定の結果得
られるX^の中でロボツトの絶対速度の推定値V^で
あり、説明の順序としてこの演算手段4及び5に
データを与える各構成から説明することにする。
The data given to the calculation means 5 1 and 5 2 according to the present invention include the target value of the position Po (three-dimensional) that the robot should take based on the program, the direction the robot should face, that is, the posture Oo, and the moving speed V of the robot. 0
The required value out of the three values, the estimated values P^, O^ of the current position and orientation based on actual measurements, and the estimated absolute velocity of the robot V^ among the X^ obtained as a result of state estimation. , each component that supplies data to the calculation means 4 and 5 will be explained in order of explanation.

まず本実施例の制御装置には、前記各モードに
よる制御が、作業ルートの障害物により作業不能
とならないための障害物回避径路演算手段6が備
えられており、これによつて作業中の各制御手段
による制御演算結果に適宜修正が加えられるよう
になつている。この障害物回避径路演算手段6に
回避すべき障害物として与えられるデータとして
は、予めインプツトできる障害に対するモデル6
とロボツトが行動中に装備されている各種セン
サによる障害物検知手段63で検出された検出デ
ータ及び潮流である。
First, the control device of this embodiment is equipped with an obstacle avoidance route calculation means 6 to prevent the control in each of the modes from becoming impossible due to obstacles on the work route. The control calculation result by the control means can be modified as appropriate. The data given to the obstacle avoidance route calculating means 6 as obstacles to be avoided include a model 6 for obstacles that can be inputted in advance.
2 and the detection data and current detected by the obstacle detection means 63 using various sensors equipped while the robot is moving.

即ち、前記のデータに基づき該障害物回避径路
演算手段6は、第1図に示したように(第2図は
この部分を省略記載している)修正のための演算
を行い、選択されている制御モードによりそれぞ
れの前記各制御手段1,2及び3による演算結果
と前記演算手段6による演算結果により修正を加
える目標修正手段7、ルート修正手段8及びフオ
ロールート修正手段9を備えている。前記のルー
ト修正手段8及びフオロールート修正手段9によ
る演算では、ルートに沿う速度Uをロボツトの絶
対速度V0′に、又、対象物とロボツトとの相対的
距離Lをロボツトの絶対的位置Po′に変換する演
算も含まれている。
That is, based on the above data, the obstacle avoidance route calculation means 6 performs a calculation for correction as shown in FIG. 1 (this part is omitted in FIG. 2), and calculates the selected The target correcting means 7, the route correcting means 8, and the follow route correcting means 9 are provided for making corrections based on the calculation results of the respective control means 1, 2, and 3 and the calculation results of the calculation means 6 depending on the control mode. In the calculations by the route correction means 8 and the follow route correction means 9, the speed U along the route is set to the absolute speed V 0 ' of the robot, and the relative distance L between the object and the robot is set to the absolute position Po of the robot. It also includes an operation to convert to ′.

そして、前記の各指示値の修正値、P0′、O0′、
V0′(これらは何れもベクトル値)は、前述したよ
うに目標偏差値演算手段51に与えられる。
Then, the correction values of each of the above indicated values, P 0 ′, O 0 ′,
V 0 ′ (all of these are vector values) is given to the target deviation value calculation means 5 1 as described above.

次に、前記の推定値P^、O^、V^の演算手順を説
明する。ロボツト本体には、現在位置の検出手段
として、慣性航法装置(慣性p)又は音響測定装
置(音響n)と、ロボツトが向いている方位、即
ちロボツトの姿勢を検知するためのジヤイロコン
パス(ジヤイロo)と、船速v(対水相対速度)
の検出手段として三軸対水速度計等を備えてお
り、常時、ロボツトの位置、姿勢、速度を検出し
ている。これらの検出値は、周知のように検出器
ドリフトと測定のノイズとを含み、そのままデー
タとして制御装置に入力すると誤動作を生じるの
で、測定ノイズについては、従来から行われてい
るようにカルマンフイルタによるノイズフイルタ
処理、又ドリフトについては、視覚測位を利用し
たパターン・マツチングにより定期的にドリフト
補償する測定ノイズフイルタ及びドリフト補償手
段11により修正して得た位置データP^、方位デ
ータO^及び相対速度V^が求められ、この修正値P^、
O^、V^が前記演算手段51及び52に与えられる。
Next, the procedure for calculating the estimated values P^, O^, and V^ will be explained. The robot body is equipped with an inertial navigation device (inertia p) or an acoustic measuring device (acoustic n) as means for detecting the current position, and a gyro compass (gyro compass) for detecting the direction the robot is facing, that is, the robot's attitude. o) and ship speed v (relative speed to water)
The robot is equipped with a three-axis water velocity meter as a detection means, and constantly detects the robot's position, attitude, and speed. As is well known, these detected values include detector drift and measurement noise, and if they are input as data to the control device, malfunctions will occur. Therefore, measurement noise can be removed using a Kalman filter, as is conventionally done. Regarding noise filter processing and drift, position data P^, azimuth data O^, and relative velocity obtained by correction using a measurement noise filter and drift compensation means 11 that periodically compensate for drift by pattern matching using visual positioning. V^ is determined, and this correction value P^,
O^ and V^ are given to the calculation means 5 1 and 5 2 .

又、ロボツトの速度は状態推定手段13によつ
て得たX^の中でロボツトの速度の推定値V^′が前記
演算手段51及び52に与えられる。なお第2図の
視覚測位はドリフト補償のために行うもので、洋
上の母船に設けられたプロセツサが行う。又、フ
イルタ及びドリフト補償手段11は、母船に設け
られたプロセツサで処理され、これらの処理の各
推定値P^、O^、V^はロボツトに送られ制御装置に
入力される。
Further, as for the speed of the robot, an estimated value V' of the speed of the robot in X' obtained by the state estimating means 13 is given to the calculation means 51 and 52 . Note that the visual positioning shown in Figure 2 is performed for drift compensation, and is performed by a processor installed on the mother ship at sea. Further, the filter and drift compensation means 11 are processed by a processor installed in the mother ship, and the estimated values P^, O^, and V^ of these processes are sent to the robot and input to the control device.

さて次に本実施例におけるダイナミツクバラン
ス推力T^b及び最適制御推力Tcとを求める演算を
第1図に基づき説明する。
Next, calculations for determining the dynamic balance thrust T^b and the optimum control thrust Tc in this embodiment will be explained based on FIG. 1.

ロボツトは選択された各モードに基づき与えら
れる前記指示値(Po′、Oo′、Vo′の一部又は全
部)に到達するために必要とする推力Tc(ベクト
ル)を演算するにあたり、本実施例では、前記目
標偏差演算手段51、推力変換演算手段12、状
態手段手段13、多変数制御ゲイン及び推力変換
演算手段14及び加算演算手段15の各演算手段
を実行することによつて与えられる。即ち、目標
偏差値演算手段51において指示値Po′(以下指示
値は「位置」によるものとして説明する)と実際
の到達推定値P^との偏差値ΔPを演算し、次いで
推力変換演算手段12においてこのΔPをゼロと
するために必要とする推力Tc″を演算する。な
お、第2図に示した前記推力演算手段52は第1
図に示す12〜19の各手段を纒めて省略記載し
たものである。
In calculating the thrust force Tc (vector) required to reach the instruction value (a part or all of Po', Oo', and Vo') given based on each selected mode, the robot uses the present embodiment. Here, it is given by executing each calculation means of the target deviation calculation means 5 1 , thrust conversion calculation means 12 , state means 13 , multivariable control gain and thrust conversion calculation means 14 , and addition calculation means 15 . That is, the target deviation value calculation means 51 calculates the deviation value ΔP between the instruction value Po' (hereinafter, the instruction value will be explained as being based on "position") and the actual estimated arrival value P^, and then the thrust conversion calculation means In step 12, the thrust force Tc'' required to make this ΔP zero is calculated.The thrust force calculation means 52 shown in FIG.
Each of the means 12 to 19 shown in the figure is summarized and omitted.

前記演算と平行して前記推定値P^、O^と加減演
算手段15によつて得られているTcの値とを状
態推定手段13に与え、ロボツトの運動状態を示
すX^を推定する。X^の構成は、位置移動に関して
は、位置P^′、速度V^′、加速度A^′、回転運動に関
しては、姿勢角O^′、角速度O^v′、角加速度O^A′で
ある。そしてこの値に基づき多変数制御ゲイン及
び推力変換演算手段14により前記偏差ΔP、ΔO
(制御モードによつてはΔVを含む)を最適値に
修正する修正推力Tc′を算出し加算演算手段15
で演算Tc″+Tc′を演算し、その結果のTcを実測
に基づく現在位置、姿勢の推定値P^、O^と共に再
度状態推定手段13に与え前記演算を繰り返し偏
差を最適に修正する。
In parallel with the above calculation, the estimated values P^, O^ and the value of Tc obtained by the addition/subtraction calculation means 15 are provided to the state estimating means 13, and X^ indicating the motion state of the robot is estimated. The composition of be. Based on this value, the multivariable control gain and thrust conversion calculation means 14 calculate the deviations ΔP and ΔO.
Addition calculation means 15 calculates the corrected thrust force Tc' that corrects (including ΔV depending on the control mode) to the optimum value.
The calculation Tc''+Tc' is calculated, and the resulting Tc is again given to the state estimating means 13 together with the estimated values P^ and O^ of the current position and orientation based on actual measurements, and the above calculation is repeated to optimally correct the deviation.

次に、ダイナミツクバランス推力T^bの演算手
段について説明する。この演算は、潮流流入角及
び流速演算手段17、ダイナミツクバランス推力
演算手段18及び三次元流体抵抗及びモメント係
数テーブル参照手段19の各演算を実施すること
によつて達成される。
Next, the means for calculating the dynamic balance thrust T^b will be explained. This calculation is achieved by carrying out calculations by the tidal flow inflow angle and velocity calculation means 17, the dynamic balance thrust calculation means 18, and the three-dimensional fluid resistance and moment coefficient table reference means 19.

即ち、前記推定値P^、O^、V^と前記X^の中の速
度推定値V^′とが潮流流入角及び流速演算手段1
7に与えられ、ここで、潮流に対するロボツトの
相対的姿勢を表す角度、即ち、ロボツトの正面直
立方向との成す角、即ち仰角α及び正面横方向の
成す角、即ち横滑り角β及び潮流の絶対流速Vc
が算出され、このα及びβの値に該当する前記流
体抵抗係数C^ij(α、β)を三次元流体抵抗及びモ
メント係数テーブル参照手段19において求め、
前記VcとC^ij(α、β)をダイナミツクバランス
推力演算手段18に与えて前記式(2)及び(3)から
T^bを算出し、加算演算手段16において行われ
る演算、即ち前記T^と前記加算演算手段15にお
いて最終的に求められたTcとの和(T=T^b+
Tc)がロボツトに実際に与える推力Tとなる。
That is, the estimated values P^, O^, V^ and the estimated velocity value V^' in the X^ are calculated by the tidal flow inflow angle and flow velocity calculation means 1.
7, where the angle representing the relative posture of the robot with respect to the tidal current, i.e., the angle formed by the front upright direction of the robot, i.e., the elevation angle α, the angle formed by the front lateral direction, i.e., the sideslip angle β, and the absolute of the tidal current. Flow velocity Vc
is calculated, and the fluid resistance coefficient C^ij (α, β) corresponding to the values of α and β is determined by the three-dimensional fluid resistance and moment coefficient table reference means 19,
The above Vc and C^ij (α, β) are given to the dynamic balance thrust calculation means 18, and from the above equations (2) and (3),
T^b is calculated and the operation is performed in the addition calculation means 16, that is, the sum of the T^ and Tc finally found in the addition calculation means 15 (T=T^b+
Tc) is the thrust force T actually given to the robot.

このようにして得られた値Tは、ロボツトのプ
ログラムに基づき指示される姿勢、移動等の動作
をする際に出力する推力が、潮流から受ける外力
の変化とロボツトの目標点からのずれとを補償し
たものとなつているので、潮流によりバランスを
崩したり、目標点から遠ざかつたりすることのな
い制御を行うことができる。
The value T obtained in this way is calculated based on the change in the external force received from the tidal current and the deviation of the robot from its target point when the thrust output when the robot performs the posture, movement, etc. instructed based on the robot's program. Since it is compensated, it is possible to perform control without losing balance due to tidal currents or moving away from the target point.

この推力Tは、推力配分手段20により、ロボ
ツトに取り付けられている複数の推進器の各々を
駆動する推力に分配する演算処理を行い、ロボツ
トに出力する。なお、第2図の符号T′F/Bは推
力Tcが正確にスラスタを駆動しているか否かを
チエツクするためのフイードバツク出力を示して
いる。
This thrust force T is subjected to arithmetic processing by the thrust distribution means 20 to be distributed into thrust forces for driving each of a plurality of propulsors attached to the robot, and is output to the robot. Note that the symbol T'F/B in FIG. 2 indicates a feedback output for checking whether the thrust force Tc is accurately driving the thruster.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したとおり、本発明の水中ロボツトの
3次元制御方法の構成は、目標値に対する偏差と
制御入力とを変数とする2次形の性能評価関数を
最小とする制御ゲインによる推力と、ロボツトが
姿勢を変更したために受ける外力を打ち消す推力
を予め作成したテーブルを参照して求め、前記2
つの推力のベクトル和によりロボツトを推進させ
る構成としたために、潮流等の流体の流れが存在
する中でロボツトを位置保持並びに走行操作する
際に、姿勢変更による流体から受ける外力のバラ
ンスの崩れを補償した推力によつてロボツトを操
作することができるので、ロボツトの移動、姿勢
維持等の動作を安定して制御することが可能とな
り、ロボツトによる流体中の作業の円滑化が得ら
れるという効果を奏することができる。
As explained above, the structure of the three-dimensional control method for an underwater robot according to the present invention is such that the thrust is determined by the control gain that minimizes the quadratic performance evaluation function with the deviation from the target value and the control input as variables, and the robot The thrust force that cancels the external force received due to the change in posture is determined by referring to a table prepared in advance, and
Because the robot is propelled by the vector sum of two thrust forces, when the robot is held in position or operated in the presence of fluid flows such as tidal currents, it compensates for the imbalance of external forces received from the fluid due to posture changes. Since the robot can be operated using the generated thrust, it is possible to stably control the robot's movements, posture maintenance, etc., and this has the effect of facilitating the robot's work in fluids. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は一実施例による制御装置の制御演算処
理の内容を示すブロツク図、第2図は第1図に示
す制御ブロツクのソフトウエアの全体的構成を示
すブロツク図である。 51…目標偏差値演算手段、12……推力変換
演算手段、13……状態推定演算手段、14……
多変数制御ゲイン及び推力変化演算手段、15,
16……加算演算手段、17……潮流流入角及び
流速演算手段、18……ダイナミツクバランス推
力演算手段、19……三次元流体抵抗及びモメン
ト係数テーブル参照手段、R……ロボツト本体。
FIG. 1 is a block diagram showing the contents of control calculation processing of a control device according to one embodiment, and FIG. 2 is a block diagram showing the overall software configuration of the control block shown in FIG. 1. 5 1 ... Target deviation value calculation means, 12... Thrust conversion calculation means, 13... State estimation calculation means, 14...
multivariable control gain and thrust change calculation means, 15;
16... Addition calculation means, 17... Tidal current inflow angle and flow velocity calculation means, 18... Dynamic balance thrust calculation means, 19... Three-dimensional fluid resistance and moment coefficient table reference means, R... Robot body.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 海洋における潮流等流れのある流体中を遊泳
するためのロボツトの制御において、 (a) 時刻kにおける制御入力u(k)と時刻k+1に
おける目標値に対する偏差e(k+1)とを変
数とする2次形の性能評価関数Jを設定し、こ
の性能評価関数Jが極小となる制御ゲインGを
決定し、このゲインGとそのときの制御入力と
実測に基づく前記ロボツトの現在位置、姿勢の
推定値とによつて得られる状態推定値X^とから
最適制御入力uを式u=−G・X^から求め、目
標に対する偏差eにフイードバツクさせて目標
を達成する推力Tcを算出し、且つ、 (b) 前記ロボツトが姿勢を変更した際、前記ロボ
ツトに対する潮流の流速及び流向によりロボツ
トに作用する潮流力を打ち消す推力X^bを、予
め前記ロボツトの対潮流仰角αと横滑り角βと
の関数として準備した三次元流体抵抗及びモメ
ント係数テーブルから求める係数C^ij(α、β)
と潮流の流速Vcから算出し、 (c) 前記2つの推力のベクトル和T=Tb+Tcを
前記ロボツトの推力として出力することを特徴
とする海中ロボツトの走行制御方法。
[Claims] 1. In the control of a robot for swimming in a flowing fluid such as a tidal current in the ocean, (a) the deviation e(k+1) between the control input u(k) at time k and the target value at time k+1; A quadratic performance evaluation function J is set with , and a control gain G at which this performance evaluation function J becomes minimum is determined. From the estimated state value X^ obtained from the estimated values of position and attitude, the optimal control input u is determined from the formula u=-G・X^, and the thrust force Tc that achieves the target is calculated by feeding back the deviation e from the target. (b) When the robot changes its attitude, the thrust force X^b that cancels out the tidal force acting on the robot due to the velocity and direction of the tidal current relative to the robot is calculated in advance by calculating the angle of elevation α of the tidal current relative to the robot and sideslip. Coefficient C^ij (α, β) obtained from the three-dimensional fluid resistance and moment coefficient table prepared as a function of angle β
and (c) a vector sum of the two thrust forces T=Tb+Tc is output as the thrust force of the robot.
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