水下机器人动力学模型参数辨识方法综述

罗遇峰

摘要：近年来我国在水下机器人动力学模型参数辨识方法方面取得了丰富的成果，也突出了未来主要的发展方向，通过对于水下机器人的研究，从而进行动力学模型参数辨识方法的运用和研究，主要突出了水下机器人的动力系统与机器人本身设计之间的关系，运用科学的参数辨识方法将其进行合理的分类，并找到相关的优缺点，并取得相关的经验，增项爱你丰富原有的知识储备含量，为今后水下机器人的动力研究打下坚实的基础。

关键词：水下机器人；动力学；模型参数

1.水下机器人动力学模型参数辨识方法的总体概述

水下机器人根据其造作当时可分为缆线型水下作业机器人（ROV）和无缆型自治水下机器人（AUV），这两类的水下机器人的各有各的好处，也各有各的缺点，而两者需要共同的动力学模型参数辨识方法是能够现阶段总体研究的问题。

21世纪以来，人类社会的进步在逐步加快，人类的消费水平和生活质量也在不断的提高，而伴随着人口也在不断的逐年增加，人类环境的各种储备资源也出现了严重的短缺，当发展海洋储备资源丰富，对于海洋资源的的开采也成为了国内外重要发展任务，并研究和利用相关的技术水平从而研制出水下勘探设备。水下机器人作为人类在海洋勘探方面的重要研究，其拥有着其它水下勘探设备不能达到的技术高度，也在人类对于水下环境勘探的过程中发挥着重要的作用。

模型参数辨识的具体内容是指观察水下机器人的物理特征，几何参数和水动力影响，而相对出现的动力学模型，再对其作用科学的方式方法进行辨识，模型参数辨识的整个过程的水下机器人在动力系统下所有的动态方式包括故障诊断在内的多种系统的基础，也是水下机器人研究过程中的的核心内容，所以在水下机器人的开发和测试阶段时，根据“牛顿”的《欧拉方程》中的动力学方程。进行模型的简化过程而给出相应的数据并进行辨识。模型参数辨识对于水下机器人本身的科研是有种重要的实际意义。

2.模型参数的辨识方法

根据水下机器人本身的动力模型的不同，其中模型参数辨识方法分为两种，第一种是非参数模型辨识方法，指的是在不需要确定水下机器人的具体动力模型的情况下对于水下机器人作业时发出的信号的捕捉再对其的输出反应做出相应的辨识，这就是非参数辨识方法。第二种则是参数模型辨识方法，也是人们现在对于水下机器人动力学模型中普遍运用的辨识方法。其指的是在对水下机器人动力系统的辨识前，设定一种数学模型的建构，然后再对建构出来的模型进行辨识，估计出具体的参数，对应系统中去，通过估计出的辨识参数与建构出的数字模型之间的差异性，从而对动力模型进行有效的参考和估计。

水下机器人的设计主要为了能充分的适应海底作业时复杂多变的环境变化而合理的控制水下机器人，从而设计了动力学中的非线性和强耦合的重要特征，并对其运用科学的方法进行参数辨识。辨识后得到的具体数据可作为水下机器人的动力系统设置的参照。还要根据实际的情况把参考数据作为定量来进行分析和利用^[1-4]。

2.1经验法

经验法是水下机器人动力学模型参数的辨识方法之一，也是根据水下机器人本身的几何外形从而计算出的动力学参数，利用已经测试过得水下机器人进行整理，把水下机器人外形相近的一类和已知的参数进行比对，而得到的新的动力学的参数。还可以按照动力学的公式来进行升力和拖拽力的分析。经验法还有一种形式是对于水下机器人的各个系统进行科学的参数辨识而得到相关数据。从这些实验中得到的动力学参数可以根据水下机器人的基本数据来进行比对从而推导出新的动力学模型，并依照得出的参数，来进行力学的公式结合经验推算得出新的动力学模型参数^[5]。

经验法是对于水下机器人动力学模型参数辨识的一种普遍使用的一种方法，在阶段在水下机器人的研究中也有使用，但是这种方法随着时间的推移，已经不能满足现在数据所需要的精准度了，在对于水下机器人的最初设计阶段时有很大的可用空间，但是对于深海型的水下机器人或者结构较为复杂的水下机器人，还是有一定局限性的。

2.2CFD法

在CFD法方面对于水下机器人动力学模型参数辨识方面可以避免动用过多的人力物力和大量的资金摄入，也避免了给参数辨识的进程造成了许多阻碍。运用CFD法把相关的数据记录下来，从而利用特定的方法来进行相应的计算，之后将计算结果投掷到计算机上，这是时就可以清晰的看到其数据并对动力学和物体作用之间进行细节的分析。使用这种模型参数辨识方法可以将当前水下机器人所出现的问题进行合理的分析，也是目前研究水下机器人动力学模型的重要使用工具，这种方法把在动力学的作用上所产生的压力和速度用其他的方式将其代替，再按照一定的规律和一定的方式方法把水下机器人动力学之间各变量带入方程，然后得出了相近的数据，这些数据便作为水下机器人动力学模型参数。根据“于宪钊”所提出的《微小型水下机器人水动力性能计算》中，把CFD方法用于基础通用软件中计算出水下机器人在作业时根据不同的模式形态而产生的不同的动力学特征，在解决相关问题的时候，体现了该方式的优越性，使用这种方法的资金成本和时间方面的周期性都相对较少，较短，可以充分的对于水下机器人在海洋下作业时所产生的数据和问题进行合理的分析和解决，但是这种方法的主要弊端是缺少实际的应用数据作为参考，其产生的准确度优越但是并没有保障，这种方式比较适用于几何型的水下机器人。

3.辨识方法的发展趋势

在水下作业时的水下机器人一般的主要特征是高阶，非线性和强耦合，但是水下机器人在总体的系统设计方面有着较大的难度，我国目前更高阶级的动力学模型的设计屈指可数，所以能够通常使用的方法是从低阶层的方面去进行处理，并利用专业的系统把实际的情况相结合起来并符合实际的应用需求，在动力学方程的基础上，利用实验中的数据对原数据进行分析和改正，确保设计的过程当中满足其需要的设置又能充分的体现动力学设计的稳定性，这样也能运用低阶的动力学水平来替代高阶的动力学水平，对于水下机器人动力学模型参数辨识和设计方面也是有可用性的。

水下机器人动力学模型参数辨识方面有较好的实效性，可以根据周围环境的实际情况而进行合理相对的适应，，还可以再辨识的精准度方面可以通过各种方面进行提高，目前针对水下机器人动力学模型参数辨识方法现在看来还有很大的上升空间。在作业的过程中也会随着环境的变化水下机器人的整体动态特点也会随之发生改变，通过结合“张铭钧，胡明茂，徐建安”的《基于稳态自适应技术的水下机器人系统在线辨识》中，在对于机器人的动力学模型上要根据实际环境的因素来进行参数的辨识。

4.结束语

在文中所提到了水下机器人动力学模型参数辨识方法中的经验法和CFD法，在对于我国目前现阶段的机器人动力学模型参数辨识和设计方面有着良好的实践性运用，将得到的数据与机器人本身的实际情况再与环境的相结合得出了，数据的调整方案。在水下机器人的研究反面我国一直在朝着这个方向去努力，一方面是为了我国的海洋资源方面的开采工作取得较大的进步，再有一个方面是为了我国的水下机器人研究方面再突破一层，使我国的科研方面取得重大的进步。在未来水下机器人动力学模型参数辨识方法上，随着时间的推移，人类社会的逐步发展，而又会产生新的辨识方法，往后的多年水下机器人动力学模型参数辨识方法都会成为未来水下工作中设计中的重要举措和环节。除了参数辨识，非参数辨识方面也会随着时间的推移有着一定的提高，但是这一类的方式在将来的工程技术方面有着广泛的应用，在设计和分析的方面不去参数辨识的方法来的实际和精确。在水下机器人的发展方面相信在未来一定有更加优秀的辨识方法和技术。

参考文献

邓志刚,朱大奇,方建安.水下机器人动力学模型参数辨识方法综述[J].上海海事大学学报,2014,35(02):74-80.

袁伟杰,刘贵杰,朱绍锋.基于遗传算法的自治水下机器人水动力参数辨识方法[J].机械工程学报,2010,46(11):96-100.

袁伟杰. (0). 自治水下机器人动力学建模及参数辨识研究. (Doctoral dissertation, 中国海洋大学).

朱大奇, 袁义丽, & 邓志刚. (2015). 水下机器人参数辨识的量子粒子群算法. 控制工程(03), 169-175.

林子淇. (0). 水下机器人动力学建模与系统辨识技术研究. (Doctoral dissertation).