CN113341974A - 一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法 - Google Patents

一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法，通过姿态传感器获取当前方位角信息，利用模糊控制计算出偏置参数，再由公式计算输出胸鳍控制信号，实现胸鳍左右偏置不对称的弓形滑翔，最终实现仿蝠鲼航行器在滑翔状态下的航向控制。本发明对于胸鳍推进仿生水下航行器模型不敏感，适应性强，能够用于任意此类型航行器弓形滑翔航向控制；本发明通过控制胸鳍左右不对称的偏置实现滑翔中的航向调整，使得航行器在保障响应速度的前提下姿态更稳定，可替代传统铅块式横滚机构。

Description

一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法
技术领域
本发明属于水下航行器运动控制领域，涉及一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法。
背景技术
自主水下航行器(AUV)在军事、民事上均有广泛应用，是海洋探索不可或缺的一部分。传统AUV采用螺旋桨进行推进，具有安装方便、控制简单，易于更换维护等优点。但其效率低、噪声大、转向机动性差以及易出故障等实际问题也不容忽视。通过模仿自然界水下生物的推进机理，能有效提高水下航行器的效率和机动性，以及减少噪声和增强航行器的生物亲和性。
典型的仿生推进模式有身体/尾鳍模式与胸鳍/对鳍推进模式，胸鳍/对鳍推进模式一般具有较强的俯仰能力和转向能力，且直游运动稳定性较好，适于搭载载荷或作业工具以完成水下作业。此外，胸鳍/对鳍推进模式还可跟重心调整的机构配合，切换成滑翔模式，以实现长航程的运动。
目前，常规航行器滑翔时的航行控制主要依赖于横滚机构、推进器、舵等，如专利：一种水下滑翔机的姿态调整装置[P].CN208715452U，少有文献提及胸鳍/对鳍推进模式的仿蝠鲼航行器滑翔时的航向控制方法。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法，基于模糊控制器产生航行器胸鳍控制偏置信号，具体体现为胸鳍左右偏置不对称的弓形滑翔，从而改变航行器滑翔航向。
技术方案
一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法，其特征在于：仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含2个舵机，分别命名为第一舵机1和第二舵机2，右侧胸鳍舵机命名为第三舵机3和第四舵机4；每个舵机由一个转换公式的输出控制构成一个单元；左侧胸鳍第一单元1与第二单元2联系，右侧胸鳍单元3与单元4联系；通过胸鳍中间单元1和3建立左右侧胸鳍之间的联系，航向控制步骤如下：
步骤1计算航向偏差及航向偏差变化率：通过姿态传感器获得水下航行器的当前方位角为x(顺时针为正)，任务设定的参考航向为xd，则航向偏差Δx为
Δx＝x-xd
对航向偏差求导，得到航向偏差变化率v为：
Figure BDA0003105325280000021
其中t为水下航行器的深度传感器信息更新周期；
步骤2、查询模糊控制规则表：以航向偏差与航向偏差变化率作为输入，即以Δx作为横坐标E的值、v作为纵坐标Ec的值进行表格查询，通过查询模糊控制规则表得到偏置参数；
Figure BDA0003105325280000022
步骤3：根据偏置参数Δx应计算出对应的航行器胸鳍控制信号，采用下述转换公式实现仿蝠鲼航行器胸鳍偏置运动的控制：
Figure BDA0003105325280000031
Figure BDA0003105325280000032
其中，各方程均以Δx为输入，分别为舵机1偏置转换公式、舵机2偏置转换公式、舵机3偏置转换公式、舵机4偏置转换公式；式中k1表示第1个舵机的设置偏置值，c1表示第1个舵机的参考零位，d1表示第1个舵机的计算转换系数；k2表示第2个舵机的设置偏置值，c2表示第2个舵机的参考零位，d2表示第2个舵机的计算转换系数；k3表示第3个舵机的设置偏置值，c3表示第3个舵机的参考零位，d3表示第3个舵机的计算转换系数；k4表示第4个舵机的设置偏置值，c4表示第4个舵机的参考零位，d4表示第4个舵机的计算转换系数；h1表示舵机1的输出值，h2表示舵机2的输出值，h3表示舵机3的输出值，h4表示舵机4的输出值；
步骤4：将输出值作用到四个舵机，从而实现左右偏置不对称的弓形滑翔完成航向控制。
有益效果
本发明提出的一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法，通过姿态传感器获取当前方位角信息，利用模糊控制计算出偏置参数，再由公式计算输出胸鳍控制信号，实现胸鳍左右偏置不对称的弓形滑翔，最终实现仿蝠鲼航行器在滑翔状态下的航向控制。
采用本发明具有如下的有益效果：
1.本发明对于胸鳍推进仿生水下航行器模型不敏感，适应性强，能够用于任意此类型航行器弓形滑翔航向控制；
2.本发明通过控制胸鳍左右不对称的偏置实现滑翔中的航向调整，使得航行器在保障响应速度的前提下姿态更稳定，可替代传统铅块式横滚机构。
附图说明
图1为本发明控制系统图；
图2为本发明舵机连接结构图；
图3为本发明定航程序流程图；
图4为本发明左胸鳍大偏置值右胸鳍无偏置左转示意图；
图5为本发明右胸鳍大偏置值左胸鳍无偏置右转示意图；
图6为本发明弓形滑翔示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实现上述任务，本发明采用的技术方案是通过姿态传感器获取当前方位角信息，利用模糊控制计算出偏置参数，再由公式计算输出胸鳍控制信号，实现胸鳍左右偏置不对称的弓形滑翔，最终实现仿蝠鲼航行器在滑翔状态下的航向控制，其控制系统图如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：计算航向偏差及航向偏差变化率。
通过姿态传感器获得水下航行器的当前方位角为x(顺时针为正)，任务设定的参考航向为xd，则航向偏差Δx为
Δx＝x-xd (1)
对航向偏差求导，得到航向偏差变化率v为
Figure BDA0003105325280000041
其中t为水下航行器的深度传感器信息更新周期。
步骤2：查询模糊控制规则表。
模糊控制器同时以航向偏差与航向偏差变化率作为输入，即以Δx作为横坐标E的值、v作为纵坐标Ec的值进行表格查询，通过查询模糊控制规则表得到偏置参数。
航向偏差的基本论域为Δx∈[-|xmax|，|xmax|]，其中xmax为航向偏差的最大值；航向偏差变化率的论域为v∈[-|vmax|，|vmax|]，其中vmax为航向偏差率的最大值。航向偏差与航向偏差变化率的离散论域为{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，其模糊语言值同样为{NB， NM，NS，NZ，ZE，PZ，PS，PM，PB}＝{负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大}。
Figure BDA0003105325280000051
步骤3：控制器输出控制信号。
根据偏置参数Δx应计算出对应的航行器胸鳍控制信号，为此，本专利构建了一组转换公式实现仿蝠鲼航行器胸鳍偏置运动的控制，采用最简连接的舵机连接方式。仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含2个舵机，分别命名为舵机1、2，右侧胸鳍舵机命名为舵机 3、4。每个舵机由一个转换公式的输出控制。左侧胸鳍单元1与单元2联系；右侧胸鳍单元3与单元4联系；通过胸鳍中间单元1和3建立左右侧胸鳍之间的联系。具体转换公式如下：
Figure BDA0003105325280000061
Figure BDA0003105325280000062
其中，各方程均以Δx为输入，分别为舵机1偏置转换公式、舵机2偏置转换公式、舵机3偏置转换公式、舵机4偏置转换公式。式中k1表示第1个舵机的设置偏置值，c1表示第1个舵机的参考零位，d1表示第1个舵机的计算转换系数；k2表示第2个舵机的设置偏置值，c2表示第2个舵机的参考零位，d2表示第2个舵机的计算转换系数；k3表示第3个舵机的设置偏置值，c3表示第3个舵机的参考零位，d3表示第3个舵机的计算转换系数；k4表示第4个舵机的设置偏置值，c4表示第4个舵机的参考零位，d4表示第4个舵机的计算转换系数；h1表示舵机1的输出值，h2表示舵机2的输出值，h3表示舵机3的输出值，h4表示舵机4的输出值。
将输出值作用到四个舵机，从而实现左右偏置不对称的弓形滑翔完成航向控制，其程序控制流程图如图3所示。
当航行器滑翔过程中需要左转时，航行器采用左胸鳍大偏置值右胸鳍无偏置左转，具体如图4所示；当航行器滑翔过程中需要右转时，航行器采用右胸鳍大偏置值左胸鳍无偏置右转，具体如图5所示。
如h1为30，h2为30，h3为0，h4为0，表示舵机1的输出值为30°，舵机2的输出值为30°，舵机3的输出值为0°，舵机4的输出值为0°，即如图4所示的左拐状态。

Claims (1)

1.一种基于扑翼偏置的仿蝠鲼水下航行器滑翔航向控制方法，其特征在于：仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含2个舵机，分别命名为第一舵机(1)和第二舵机(2)，右侧胸鳍舵机命名为第三舵机(3)和第四舵机(4)；每个舵机由一个转换公式的输出控制构成一个单元；左侧胸鳍第一单元(1)与第二单元(2)联系，右侧胸鳍单元(3)与单元(4)联系；通过胸鳍中间单元(2)和(3)建立左右侧胸鳍之间的联系，航向控制步骤如下：
步骤1计算航向偏差及航向偏差变化率：通过姿态传感器获得水下航行器的当前方位角为x(顺时针为正)，任务设定的参考航向为xd，则航向偏差Δx为
Δx＝x-xd
对航向偏差求导，得到航向偏差变化率v为：
Figure FDA0003105325270000011
其中t为水下航行器的深度传感器信息更新周期；
步骤2、查询模糊控制规则表：以航向偏差与航向偏差变化率作为输入，即以Δx作为横坐标E的值、v作为纵坐标Ec的值进行表格查询，通过查询模糊控制规则表得到偏置参数；
Figure FDA0003105325270000012
步骤3：根据偏置参数Δx应计算出对应的航行器胸鳍控制信号，采用下述转换公式实现仿蝠鲼航行器胸鳍偏置运动的控制：
Figure FDA0003105325270000021
Figure FDA0003105325270000022
其中，各方程均以Δx为输入，分别为舵机1偏置转换公式、舵机2偏置转换公式、舵机3偏置转换公式、舵机4偏置转换公式；式中k1表示第1个舵机的设置偏置值，c1表示第1个舵机的参考零位，d1表示第1个舵机的计算转换系数；k2表示第2个舵机的设置偏置值，c2表示第2个舵机的参考零位，d2表示第2个舵机的计算转换系数；k3表示第3个舵机的设置偏置值，c3表示第3个舵机的参考零位，d3表示第3个舵机的计算转换系数；k4表示第4个舵机的设置偏置值，c4表示第4个舵机的参考零位，d4表示第4个舵机的计算转换系数；h1表示舵机1的输出值，h2表示舵机2的输出值，h3表示舵机3的输出值，h4表示舵机4的输出值；
步骤4：将输出值作用到四个舵机，从而实现左右偏置不对称的弓形滑翔完成航向控制。
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