一种船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控方法及装置

本技术涉及机器人控制，尤其涉及一种船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控方法及装置。

背景技术：

1、船舶长期处于高湿、高盐雾及海水侵蚀环境中，船体外板容易产生锈蚀、涂层老化以及海洋生物附着等问题。为保证船体结构完整性、防腐性能和航行安全，需要定期对船体表面进行除锈、清洗及重新涂装。磁吸附式爬壁机器人能够借助磁吸附装置附着于铁磁性船体表面，并搭载高压水射流、喷砂或打磨机构进行移动除锈作业，因而成为替代人工完成船体表面高危作业的重要技术装备。

2、现有爬壁机器人控制方法缺少从上一周期向当前周期平滑过渡的机制，曲率指令易发生突变；缺少对转向曲率进行可执行性验证的环节，易导致实际轨迹偏离目标路径；无法实现磁吸附力与差速运动的协同调控，爬壁机器人的控制精度不高，影响爬壁机器人进行船舶除锈作业。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控方法，包括：

2、获取移动任务的任务信息，以及爬壁机器人的位置信息，爬壁机器人包括多个磁吸附单元；

3、开始当前控制周期，根据任务信息和位置信息生成当前控制周期的期望转向曲率；对当前控制周期的期望转向曲率进行单周期变化量限制，获得过渡目标曲率；获取上一控制周期的安全执行曲率，根据上一控制周期的安全执行曲率和过渡目标曲率，通过非线性分布插值算法生成多个候选转向曲率；

4、对候选转向曲率进行可执行筛选，获得可执行转向曲率，将最接近过渡目标曲率的可执行转向曲率作为当前控制周期的安全执行曲率；根据当前控制周期的安全执行曲率进行吸附力分配和轮速度计算，获得初始目标吸附力组和初始左右轮目标速度；

5、获取爬壁机器人的实际状态数据，根据实际状态数据对初始目标吸附力组和初始左右轮目标速度进行修正，获得最终目标吸附力组和最终左右轮目标速度；根据最终目标吸附力组和最终左右轮目标速度生成控制指令，机器人根据控制指令进行移动，结束当前控制周期；

6、重复执行当前控制周期，直至爬壁机器人完成移动任务。

7、在一实施例中，当前控制周期的期望转向曲率的获得过程包括：

8、获取任务信息中的转向方向，以及位置信息中的当前位置、连续局部参考曲线、当前航向角和航向调整距离；

9、当任务信息包括目标路径或目标位置时，根据当前位置在连续局部参考曲线上确定前视点，根据前视点生成前视点位置引导项和路径切向协调项，将前视点位置引导项与路径切向协调项叠加，获得初始期望转向曲率；

10、当任务信息包括目标朝向或目标转角时，根据目标朝向或目标转角确定目标航向角，获取目标航向角与当前航向角之间的航向误差；根据航向误差和航向调整距离之间的比值关系，确定初始期望转向曲率；

11、当任务信息包括目标转向半径时，根据目标转向半径和转向方向之间的倒数关系，确定初始期望转向曲率；

12、对初始期望转向曲率进行幅值限制和单周期变化量限制，获得当前控制周期的期望转向曲率。

13、在一实施例中，候选转向曲率的获得过程包括：

14、以上一控制周期的安全执行曲率为插值起点，以过渡目标曲率为插值终点，在插值起点与插值终点之间选取多个插值位置系数；

15、根据插值位置系数对插值起点与插值终点进行插值计算，获得多个插值转向曲率；

16、当安全执行曲率与过渡目标曲率的符号相反时，在插值转向曲率中加入零曲率作为附加转向曲率；将插值转向曲率和附加转向曲率作为候选转向曲率。

17、在一实施例中，可执行转向曲率的获得过程包括：

18、获取作用于爬壁机器人的外部载荷，根据外部载荷建立整机防脱离约束；

19、根据每个磁吸附单元到爬壁机器人的前缘、后缘、左缘和右缘四个候选分离边缘的距离，以每个磁吸附单元的吸附力为变量，构建抗翘离约束；

20、获取左右轮的实际法向载荷，根据候选转向曲率计算左右轮的所需纵向驱动力，根据实际法向载荷和所需纵向驱动力构建左右轮牵引约束；

21、获取每个磁吸附单元的当前实际吸附力和单周期调节能力，根据当前实际吸附力和单周期调节能力确定每个磁吸附单元在下一控制周期内的可达吸附力范围；

22、对于任一个候选转向曲率，在每个磁吸附单元的可达吸附力范围内，搜索是否存在一组可行吸附力同时满足整机防脱离约束、抗翘离约束和左右轮牵引约束，若存在，则判定候选转向曲率为可执行转向曲率。

23、在一实施例中，初始目标吸附力组和初始左右轮目标速度的获得过程包括：

24、根据当前控制周期的安全执行曲率的符号确定转向方向，根据转向方向将每个磁吸附单元动态划分为转向内侧分区和转向外侧分区；

25、根据转向方向、磁吸附单元、转向内侧分区和转向外侧分区构建评价函数；

26、在可达吸附力范围内，搜索所有同时满足整机防脱离约束、抗翘离约束和左右轮牵引约束的候选吸附力；

27、将候选吸附力代入评价函数，将评价函数最小的一组候选吸附力作为初始目标吸附力组；

28、根据安全执行曲率和预设候选中心速度确定横摆角速度，根据横摆角速度计算获得初始左右轮目标速度。

29、在一实施例中，评价函数的构建过程包括：

30、根据转向方向、磁吸附单元、转向内侧分区和转向外侧分区构建转向阻力评价项、吸附力变化评价项和可达范围余量评价项；

31、将转向阻力评价项、吸附力变化评价项和可达范围余量评价项进行加权相加，获得评价函数。

32、在一实施例中，最终目标吸附力组和最终左右轮目标速度的获得过程包括：

33、获取实际状态数据中的每个磁吸附单元的实际吸附力、左右轮的实际法向载荷、左右轮的轮缘速度、左右轮的实际沿壁速度、左右驱动电机的驱动电流；

34、根据每个磁吸附单元的实际吸附力与当前目标吸附力之间的偏差，对初始目标吸附力组进行修正，获得最终目标吸附力组；

35、根据左右轮的轮缘速度、左右轮的实际沿壁速度及左右轮的实际法向载荷，分别计算左右轮的滑移程度；

36、根据左右轮的滑移程度和左右驱动电机的驱动电流，确定公共速度缩放系数；

37、根据公共速度缩放系数对初始左右轮目标速度进行修正，获得最终左右轮目标速度。

38、第二方面，本发明提供了一种船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控装置，用于实现所述的船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控方法，所述装置包括：

39、数据获取模块，用于获取移动任务的任务信息，以及爬壁机器人的位置信息，爬壁机器人包括多个磁吸附单元；

40、候选转向曲率获取模块，用于开始当前控制周期，根据任务信息和位置信息生成当前控制周期的期望转向曲率；对当前控制周期的期望转向曲率进行单周期变化量限制，获得过渡目标曲率；获取上一控制周期的安全执行曲率，根据上一控制周期的安全执行曲率和过渡目标曲率，通过非线性分布插值算法生成多个候选转向曲率；

41、吸附力与速度获取模块，用于对候选转向曲率进行可执行筛选，获得可执行转向曲率，将最接近过渡目标曲率的可执行转向曲率作为当前控制周期的安全执行曲率；根据当前控制周期的安全执行曲率进行吸附力分配和轮速度计算，获得初始目标吸附力组和初始左右轮目标速度；

42、控制指令获取模块，用于获取爬壁机器人的实际状态数据，根据实际状态数据对初始目标吸附力组和初始左右轮目标速度进行修正，获得最终目标吸附力组和最终左右轮目标速度；根据最终目标吸附力组和最终左右轮目标速度生成控制指令，机器人根据控制指令进行移动，结束当前控制周期；

43、重复控制模块，用于重复执行当前控制周期，直至爬壁机器人完成移动任务。

44、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控方法。

45、第四方面，本发明提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的船舶除锈爬壁机器人磁吸附力协同调控方法。

46、本发明具有以下有益效果：

47、1、根据移动任务的任务信息和位置信息生成期望转向曲率，经单周期变化量限制得到过渡目标曲率后，结合上一控制周期的安全执行曲率通过非线性分布插值算法生成多个候选转向曲率，避免曲率指令突变导致机器人失稳或驱动过载；通过对候选转向曲率进行可执行筛选获得安全执行曲率，确保执行曲率满足实际物理约束，防止盲目跟踪期望曲率引发吸附力不足、局部翘离或轮组打滑；根据安全执行曲率统一决策初始目标吸附力组和初始左右轮目标速度，并依据实际状态数据修正为最终目标吸附力组和最终左右轮目标速度，使吸附力分配与轮速控制在同一安全执行曲率下协同决策，避免二者独立控制导致的转向滑移和轨迹偏差，实现了磁吸附力与差速运动的持续协同调控，显著提高了爬壁机器人的控制精度。

48、2、通过任务信息和位置信息生成多种情况下的初始期望转向曲率，并辅以幅值限制和单周期变化量限制，使期望转向曲率能够适应不同任务输入形式；以安全执行曲率为起点、过渡目标曲率为终点进行非线性分布插值，并在转向方向切换时强制加入零曲率作为候选，既提高了接近目标曲率区域的验证精度，又确保转向方向切换必须经过直行过渡状态，避免在高速或大角度换向时出现曲率符号突变导致机器人失稳。通过建立整机防脱离约束、抗翘离约束和左右轮牵引约束，并确定各磁吸附单元在下一控制周期内的可达吸附力范围，对每一候选转向曲率逐一搜索是否存在同时满足全部约束的可行吸附力组合，确保最终选定的安全执行曲率具备物理可执行性，使机器人在转向过程中始终维持贴壁安全裕度，防止因局部翘离、整机脱落或轮组打滑而引发安全事故。

49、3、根据安全执行曲率的符号动态划分转向内侧分区和转向外侧分区，并以评价函数最小为目标从满足全部约束的候选吸附力中选取初始目标吸附力组，使吸附力分配在保障贴壁安全的前提下主动降低转向阻力，同时基于安全执行曲率计算初始左右轮目标速度，实现磁吸附力与轮速在同一决策框架下的初始协同；通过将转向阻力评价项、吸附力变化评价项和可达范围余量评价项加权相加构建评价函数，使优化过程兼顾转向灵活性、控制平顺性和执行可持续性；根据每个磁吸附单元的实际吸附力与当前目标吸附力之间的偏差对初始目标吸附力组进行修正以获得最终目标吸附力组，同时根据左右轮的滑移程度和驱动电流确定公共速度缩放系数对初始左右轮目标速度进行修正以获得最终左右轮目标速度，使磁吸附力与轮速均能够基于实际状态反馈持续滚动调节，有效抑制转向过程中的吸附力跟踪偏差和轮组滑移，确保整个转向过程在复杂工况下仍保持稳定的控制品质。