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申请/专利权人：浙江大学

摘要：本发明涉及海底管道跟踪巡线领域，具体涉及基于无人船和ROV协同的海底管道跟踪巡线控制系统及方法，通过脐带缆实现无人船与ROV之间的实时信息交互、通过无人船搭载电子罗盘与GPS提供的绝对位置信息和USBL传感器提供的无人船与ROV的相对位置，可实时解算出ROV的绝对位置，从而实时修正ROV搭载的IMU与DVL传感器解算位姿的累计误差；同时，无人船可根据ROV实时反馈的巡线速度和位姿下发控制指令到ROV，实时调整ROV的巡线速度；此外，设计PID姿态控制器和PID巡线速度控制器，实现ROV对海底管道的自主跟踪巡线。

主权项：1.基于无人船和ROV协同的海底管道跟踪巡线控制系统，包括无人船和ROV，所述无人船和ROV之间通过脐带缆实现实时信息交互，其特征在于：其中，所述无人船上设有无人船主控中心、电子罗盘与GPS定位装置，所述无人船主控中心连接所述电子罗盘与GPS定位装置，由所述电子罗盘与GPS定位装置得到无人船绝对位置信息；其中，所述ROV上设有ROV从控中心、IMU惯性测量单元、DVL多普勒计程仪、USBL传感器、局部组合滤波单元和无迹卡尔曼滤波单元，所述ROV从控中心连接所述USBL传感器、局部组合滤波单元和无迹卡尔曼滤波单元，所述局部组合滤波单元连接所述IMU惯性测量单元和DVL多普勒计程仪；所述IMU惯性测量单元用于测量所述ROV的加速度和角速度；所述DVL多普勒计程仪用于测量所述ROV相对于水的速度；所述局部组合滤波单元用于将MU惯性测量单元和DVL多普勒计程仪获取的数据信息使用无迹卡尔曼滤波算法进行速度信息融合，获取ROV的速度和姿态；所述USBL传感器用于获取ROV与无人船的相对位置；所述无迹卡尔曼滤波单元用于将USBL传感器获取ROV与无人船的相对位置，同时结合所述无人船绝对位置信息和ROV的速度和姿态，使用无迹卡尔曼滤波算法，修正并实时获取ROV绝对位姿信息；所述ROV上还设有PID姿态控制器和PID巡线速度控制器，所述PID姿态控制器用于控制ROV在巡线过程中的艏向角；所述PID巡线速度控制器用于控制ROV在巡线过程中的速度；基于上述的基于无人船和ROV协同的海底管道跟踪巡线控制系统，采用基于无人船和ROV协同的海底管道跟踪巡线控制方法，具体包括以下步骤：S1.获取无人船绝对位置信息；先根据电子罗盘获取无人船的偏航角，并根据GPS定位装置获取无人船的位置；S2.获取ROV的速度和姿态：先根据IMU惯性测量单元测量所述ROV的加速度和角速度，根据DVL多普勒计程仪测量所述ROV相对于水的速度；将所述ROV的加速度和角速度的数据信息，及量所述ROV相对于水的速度的数据信息使用无迹卡尔曼滤波算法进行速度信息融合；选取15维状态量作为待估计的滤波状态量： ，其中，是位置和角度；是线速度与角速度；是线加速度；通过将状态向量和观测向量映射到一组sigma点上，以实现对非线性函数的逼近，具体公式如下：状态向量的sigma点生成： ，其中，为状态转移向量，是状态协方差矩阵，为状态向量的维度，为可调参数；对sigma点进行状态预测： ，其中，和为权重系数，为非线性状态转移函数，为过程噪声协方差矩阵；对预测后的状态生成sigma点： ， ，其中，为非线性观测转移函数，为观测噪声协方差矩阵；权重系数和具体表示为： ，其中，为可调参数，和是根据状态向量的维度计算得到的；计算卡尔曼增益： ，状态更新：，其中，为观测向量，为对观测向量的预测值；S3.获取ROV绝对位姿信息：基于无迹卡尔曼滤波算法，IMU传感器数据更新时观测向量为9维，即;DVL传感器数据更新时观测向量为3维，即；根据IMU传感器输出的三轴线加速度、三轴角速度、三轴角度与DVL传感器输出的速度输入到无迹卡尔曼滤波局部信息融合模块；DVL实时修正线加速度预积分得到的线速度，并反馈给ROV从控中心，同时三轴角度实时修正角速度预积分得到的角度，进而得到姿态估计；然后将输出的速度和姿态信息作为与无人船协同滤波数据的一部分；USBL传感器数据更新时观测向量为3维，即；先根据USBL传感器获取ROV与无人船的相对位置，及结合所述无人船绝对位置信息，初步解算出ROV的绝对位置；然后将初步解算出ROV的绝对位置的信息和所述ROV的速度和姿态的信息使用无迹卡尔曼滤波算法，修正并实时获取ROV绝对位姿信息；S4.设计PID姿态控制器与PID巡线速度控制器对ROV巡线进行控制，实现自主跟踪巡线：先根据海底管道路由和所述ROV绝对位姿信息，计算得到姿态误差、姿态误差微分和姿态误差积分信号，设计PID姿态控制器，同时将第一控制信号反馈给ROV从控中心；然后根据预期速度控制信息与步骤S2的获取的所述ROV的速度和姿态，计算得到巡线速度误差、巡线速度误差微分和巡线速度误差积分信号，设计PID巡线速度控制器，同时将第二控制信号反馈给ROV从控中心；最后从控中心下发控制指令到推进器动力系统，对ROV巡线进行控制，实现自主跟踪巡线。

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