CN107065537B - 一种auv横推低速无输出情况下的运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法。首先是螺旋桨敞水试验获得推进器推力曲线，从而确定推进器有输出情况下的转速区间。然后是模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速，所需转速包含在敞水实验所得转速区间内。最后是将艏向偏差和偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔。推进器在给定的时间间隔内以确定转速工作，驱动AUV到达目标艏向。与传统的考虑推进器非线性约束的控制方法相比，该方法方便高效，无需对推进器的非线性约束进行准确建模或近似估计，直接从准确的转速推力关系出发，建立确定推进器转速及工作时间的阶跃输出控制器，提高了响应速度。

Description

一种AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下航行器控制方法，具体地说是一种AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法。

背景技术

随着海洋开发的不断深入，智能水下航行器(AUV)越来越以其体积小，运动灵活，能够自主作业的优点而备受亲睐，其已经成为海洋开发的重要工具。水下航行器要到达指定位置执行特定任务，必须对其进行精准的控制。在实际的控制系统中，由于组成元器件的物理性能的限制，执行器通常会出现死区现象，即执行机构在低速时无输出，在AUV航向控制中其横推低速无输出现象较明显。并且随着生产过程中工作条件和环境的变化而发生变化，使得推进器存在的死区参数是时变的，死区的存在造成控制系统性能严重下降。

目前现有的针对推进器低速无输出情况下的运动控制方法，是对推进器的非线性约束进行准确建模或近似估计，从而建立补偿器，提高控制精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种响应速度快，方便高效的AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)螺旋桨敞水试验获得推进器推力曲线，

取系列特征转速，测试推进器在每一转速下的推力，建立推力与转速对应关系，确定推进器有输出情况下的转速区间；

(2)在步骤(1)确定的转速区间内，模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速，具体包括：

利用磁罗经测得的实际艏向与目标艏向作差获得艏向偏差，差分获得偏差变化率，通过设定的模糊化规则对艏向偏差及偏差变化率进行模糊化处理获得所需的稳定转速；

(3)将艏向偏差和偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔，

推进器以稳定转速工作，其中稳定转速由步骤(2)模糊控制器求得，当工作时间达到所求的时间间隔时，推进器转速置零，进入下一控制节拍，转到步骤(2)，最终AUV到达目标艏向。

本发明还可以包括：

1、模糊控制器获得所需的稳定转速n_p论域的选取参考敞水实验实测散点值及其变化趋势，所述的模糊控制器的输入输出隶属度函数取为三角隶属度函数，所述的模糊控制器的解模糊方法采用重心法。

2、控制器输出为确定推进器转速及工作时间的阶跃输出，将艏向偏差ψ_e、偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔，

u(t)＝n_p t₀＜t＜t₀+T

式中：K_p,K_I,K_d为PID控制器参数，t₀为上一控制节拍结束时间。

本发明提供了一种AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法，针对横向推进器低速无输出现象，设计一种确定转速下的时间控制方法。首先是螺旋桨敞水试验获得推进器推力曲线，从而确定推进器有输出情况下的转速区间。然后是模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速，所需转速包含在敞水实验所得转速区间内。最后是将艏向偏差和偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔。推进器在给定的时间间隔内以确定转速工作，驱动AUV到达目标艏向。

本发明直接从准确转速推力关系出发，建立确定转速下的时间控制器，缩短了调节时间，提高了响应速度，与传统的考虑推进器非线性约束的控制方法相比，方便高效。

本发明的有益效果为：

1.本发明方便高效，无需对推进器的非线性约束进行准确建模或近似估计，直接从准确转速推力关系出发，建立确定转速下的时间控制器，缩短调节时间，提高响应速度。

2.本发明充分利用测试获得的准确数据，并考虑了推力曲线曲率变化，稳定转速的选取准确可靠。

附图说明

图1是本发明的控制系统结构图；

图2是本发明的推进器推力曲线图；

图3是本发明模糊控制器结构图；

图4是本发明的控制器输出调整流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的控制系统结构主要包括目标艏向输入、推力曲线、磁罗经、模糊控制器、PID控制器、推进器、AUV载体。本发明结合模糊控制器和PID控制器，提出了一种确定推进器转速及工作时间的阶跃输出控制方法。控制器输出量为确定推进器转速及工作时间的阶跃输出，即在给定的时间间隔内，推进器以所需转速工作。进行AUV航向控制时，磁罗经测得AUV当前艏向ψ，目标艏向ψ_d由上位机下达，根据当前艏向与目标艏向获得艏向偏差ψ_e，差分得偏差变化率其中模糊控制器通过对偏差ψ_e和偏差变化率进行模糊处理，将两个精确量变成模糊量，然后再根据模糊控制规则进行模糊决策，得到需要输出的模糊转速，最后进行解模糊化处理，得到精确的输出稳定转速。PID控制器将艏向偏差ψ_e和偏差变化率代入PID控制律得到推进器在稳定转速下持续工作时间间隔T，推进器根据控制器输出u(t)在给定的时间间隔内以确定转速工作，产生推力τ(t)驱动AUV到达目标艏向。

本发明的方法主要包括：

(1)螺旋桨敞水试验获得推进器推力曲线，取系列特征转速，测试推进器在每一转速下的推力，建立推力与转速对应关系，从而确定了推进器有输出情况下的转速区间。

(2)在步骤一确定的转速区间内，模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速。具体为：利用磁罗经测得的实际艏向与目标艏向作差获得艏向偏差，差分获得偏差变化率，通过设定的模糊化规则对艏向偏差及偏差变化率进行模糊化处理获得所需的稳定转速。

(3)将艏向偏差和偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔。推进器以稳定转速工作，其中稳定转速由步骤二模糊控制器求得，当工作时间达到所求的时间间隔时，推进器转速置零，进入下一控制节拍，转到步骤二，最终AUV到达目标艏向。

进一步的，模糊控制器所求稳定转速n_p论域的选取参考敞水实验实测散点值及其变化趋势，保证最有效利用实测数据。实际工作时，模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速。所述的模糊控制器的输入输出隶属度函数取为三角隶属度函数，所述的模糊控制器的解模糊方法采用重心法。

进一步的，控制器输出为确定推进器转速及工作时间的阶跃输出。将艏向偏差ψ_e、偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔，其中稳定转速n_p由模糊控制器求得。

u(t)＝n_p t₀＜t＜t₀+T

式中：K_p,K_I,K_d为PID控制器参数，t₀为上一控制节拍结束时间。

本发明的详细实现方法为：

1.螺旋桨敞水试验获得推进器推力曲线，取系列特征转速，测试推进器在每一转速下的推力，建立推力与转速对应关系，从而确定推进器有输出情况下的转速区间。

T_f＝f(n₁,n₂,n₃…n_m)

式中：T_f表示推进器推力，n₁…n_m为所选特征转速。

2.在步骤一确定的转速区间内，模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速。具体为：磁罗经测得AUV当前艏向ψ，目标艏向ψ_d由上位机下达，根据当前艏向与目标艏向获得艏向偏差ψ_e，差分得偏差变化率假设艏向偏差ψ_e的论域为X，其对应的模糊论域为A＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为{NB，NS，ZO，PS，PB}.假设艏向偏差的论域为Y，其对应的模糊论域为B＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为{NB，NS，ZO，PS，PB}。假设输出量转速n_p的模糊论域和模糊子集分别为C＝{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}和{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

模糊控制器的输入输出隶属度函数取为三角隶属度函数。

模糊IF-THEN规则可写成：

所述的模糊控制器的解模糊化方法采用重心法，解模糊得推进器所需转速。

模糊控制器所求稳定转速n_p论域的选取参考敞水实验实测散点值及其变化趋势。

3.将艏向偏差ψ_e、偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔，其中稳定转速n_p由模糊控制器求得。推进器以稳定转速工作，当工作时间达到所求的时间间隔时，推进器转速置零，进入下一控制节拍，转到步骤二。

u(t)＝n_p t₀＜t＜t₀+T

式中：K_p,K_I,K_d为PID控制器参数，t₀为上一控制节拍结束时间。

推进器根据控制器输出u(t)在给定的时间间隔内以确定转速工作，产生推力τ(t)驱动AUV到达目标艏向。

如图2所示为螺旋桨敞水实验测试所得转速推力曲线图。通过此图可确定推进器有输出情况下的转速区间。

图3表述了本发明的模糊控制器结构。具体实现步骤如下：

(1)通过模糊化接口，对输入的磁罗经实际艏向与设定的目标艏向的偏差ψ_e和偏差变化率进行模糊处理，将两个精确量变成模糊量。

(2)推理机根据模糊控制规则库中的模糊控制规则进行模糊决策，得到需要输出的模糊转速。

(3)解模糊化接口进行解模糊化处理，得到所需稳定转速输出。

图4表述了本发明的控制器输出调整流程图。具体实现步骤如下：

(1)初始化：t＝t₀，n＝0。

(2)获得模糊控制器输出稳定转速n_p及PID控制器输出推进器工作时间间隔T，推进器以转速n_p工作，时间加一，t＝t₀+1。

(3)时间判断，若t＞t₀+T不成立，推进器继续以转速n_p运转，若成立，t₀＝t₀+T，进入下一控制节拍。

Claims (3)

1.一种AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法，其特征是：

(1)螺旋桨敞水试验获得推进器推力曲线，

取系列特征转速，测试推进器在每一转速下的推力，建立推力与转速对应关系，确定推进器有输出情况下的转速区间；

(2)在步骤(1)确定的转速区间内，模糊控制器根据艏向偏差及艏向偏差变化率求得所需转速，具体包括：

利用磁罗经测得的实际艏向与目标艏向作差获得艏向偏差，差分获得偏差变化率，通过设定的模糊化规则对艏向偏差及偏差变化率进行模糊化处理获得所需的稳定转速；

(3)将艏向偏差和偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔，

推进器以稳定转速工作，其中稳定转速由步骤(2)模糊控制器求得，当工作时间达到所求的时间间隔时，推进器转速置零，进入下一控制节拍，转到步骤(2)，最终AUV到达目标艏向。

2.根据权利要求1所述的AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法，其特征是：模糊控制器获得所需的稳定转速n_p论域的选取参考敞水实验实测散点值及其变化趋势，所述的模糊控制器的输入输出隶属度函数取为三角隶属度函数，所述的模糊控制器的解模糊方法采用重心法。

3.根据权利要求1或2所述的AUV横推低速无输出情况下的运动控制方法，其特征是：PID控制器输出为确定推进器转速及工作时间的阶跃输出，将艏向偏差ψ_e、偏差变化率输入PID控制器，求得推进器以稳定转速工作的时间间隔，

u(t)＝n_p t₀<t<t₀+T

式中：K_p,K_I,K_d为PID控制器参数，t₀为上一控制节拍结束时间。