CN116736846A - 一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质，属于水下机器人控制技术领域。其中方法包括：建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。本发明提出一种带有限时间收敛的侧滑角观测的自适应视线制导的方案，实时补偿由于机器鱼实际游动航向角与实时偏航角间的误差导致的侧滑漂移运动，有效地改善跟踪性能。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人控制技术领域，尤其涉及一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质。
背景技术
仿生机器鱼是通过模仿真实鱼类的推进机理所开发出的一种高性能、生物环境友好型的新型水下机器人，其仿生推进技术克服了传统水下推进方式所普遍存在的推进效率低、机动性差等不足。前期对仿生机器鱼的研究集中于结构设计和游动模态生成，为提高仿生机器鱼的实际作业能力、推动其现实应用，现阶段需要提高其自治能力和智能化程度。路径跟踪作为一系列作业任务的基础，是提高仿生机器鱼自主能力和智能程度的重要部分，对推动机器鱼的现实应用具有重要意义。
当前水下仿生机器鱼的路径跟踪问题通常采用将期望路径离散成多个点并对点集的进行逐一跟踪的方式实现，但这种方式往往会导致切换点附近误差较大；此外，也有部分研究采用视线制导方式对期望路径进行连续跟踪，但传统的视线制导方式存在收敛速度慢、侧向跟踪误差和沿途跟踪误差两个方向上的收敛互相制约以及当被控对象位于期望路径上时制导子系统将会导致机器鱼偏离期望路径等缺点。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质。
本发明所采用的技术方案是：
一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，包括以下步骤：
建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；
基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；
基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。
进一步地，所述运动学模型的表达式为：
其中，u为仿生机器鱼的纵荡速度，v为仿生机器鱼的横荡速度，ψ为仿生机器鱼的偏航角，r为仿生机器鱼的艏摇角速度，x,y是仿生机器鱼的坐标。
进一步地，所述有限时间侧滑观测器的表达式为：
其中，为侧向误差ye的估计值，/>为仿生机器鱼的侧滑角β的估计值，/>为有限时间侧滑观测器所估计的侧向误差与实际值的偏差；U为纵荡速度u和横荡速度v的合速度，ψ为仿生机器鱼的偏航角，ψP为仿生机器鱼的路径角，λ为常数项，sig为sig(x)函数，即|x|0.5sign(x)。
进一步地，所述侧向误差ye的微分表达式为：
由于侧滑角β通常较小，有sinβ≈β和cosβ≈1，故公式(2)为：
将公式(1)和公式(3)作差，得观测误差为：
其中，xd,yd为仿生机器鱼的期望坐标，为当前路径因子对应的路径切向角，为有限时间侧滑观测器所估计的侧滑角与实际值的偏差。
进一步地，所述视线制导律的表达式为：
其中，ψd为期望偏航角，ψr为改进后的视线制导律所输出的期望角度，ψp为仿生机器鱼的路径角，ye为侧向误差，Δh为前瞻距离，为仿生机器鱼的侧滑角β的估计值；在该制导律控制下，仿生机器鱼的侧向误差将得到控制，即侧向误差将收敛到0。
进一步地，所述前瞻距离Δh通过时变的前瞻距离计算公式进行计算：
其中，Δhmax为时变前瞻距离的上限值，Δhmin为时变前瞻距离的下限值，而k为正的设计参数，通过调节k来调节前瞻距离对侧向误差的敏感度。
进一步地，在所述通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新步骤之前，还包括以下步骤：
通过滤波算法对仿生机器鱼的期望偏航角进行平滑处理。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种仿生机器鱼的路径跟踪控制系统，包括：
信息采集模块，用于建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；
估计补偿模块，用于基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；
更新控制模块，用于基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种仿生机器鱼的路径跟踪控制装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述方法。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
本发明的有益效果是：本发明提出一种带有限时间收敛的侧滑角观测的自适应视线制导的方案，实时补偿由于机器鱼实际游动航向角与实时偏航角间的误差导致的侧滑漂移运动，有效地改善跟踪性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中视线制导律示意图；
图2是本发明实施例中仿生机器鱼的路径跟踪控制框图；
图3是本发明实施例中一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
目前针对水下仿生机器鱼(以下简称机器鱼)的路径跟踪控制研究有限，其中已有文献将控制任务分为外环制导和内环偏航跟踪两部分，前者根据实时位置与期望路径之间的偏差更新实时期望偏航角，后者则是根据实时期望偏航角与机器鱼实时偏航角之间的差值更新实时控制量以驱使机器鱼严格按照外环产生的期望信号量进行运动，进而实现路径跟踪任务。如现有方案(1)提出了一种自抗扰控制(Auto Disturbance RejectionControl,ADRC)与模糊控制相结合的控制方法，实现波动鳍仿生水下机器人的深度与航向闭环控制，并通过基于有限状态机的视线制导系统实现了对连续多个路点的跟踪；这种方案存有的缺点是：当沿途跟踪误差为零时，不论此时的侧向跟踪误差的大小，由制导子系统所给出的期望偏航角均垂直于期望路径，容易出现过大的超调，导致实际游动轨迹在期望路径附近来回震荡。现有方案(2)采用固定圆半径的视线制导律以及改进的深度确定性策略梯度算法(Deep Deterministic Policy Gradients,DDPG)控制仿生海豚对三维路径进行跟随。通过视线制导律实时更新期望运动角，利用经过训练的DDPG网络根据实时运动角度与期望角度之间的差值提供对应的转向策略；这种方案存有的缺点是：固定圆半径的视线制导律虽然将前瞻距离与侧向跟踪误差关联起来，但根据李亚普诺夫稳定性理论所得到的收敛速度受该固定圆半径的影响，且当机器鱼位于期望路径上时，制导子系统提供的期望角等于路径角，会引导机器鱼偏离期望路径，对跟踪性能产生不利影响。
针对上述问题，本发明提出了一种基于带侧滑补偿的自适应视线制导律的水下仿生机器鱼的路径跟踪控制方法。将机器鱼的实时位置投影到期望路径上，以此将沿途跟踪误差限制在0附近，进而将路径跟踪问题转变为侧向跟踪误差的控制问题，随后通过自适应视线制导律实时更新期望偏航角，实现机器鱼更为精准的路径跟踪性能。本发明可以有效解决传统视线制导律中存在的问题，通过观测器的实时估计与补偿，很好地避免当机器鱼位于期望路径上时制导子系统的错误引导，实现了更高精度的跟踪效果。另外，制导子系统的前瞻距离可以根据实时的侧向跟踪误差自适应调整以获得更好的收敛效果。
如图3所示，本实施例提供一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，包括以下步骤：
S1、建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；其中，运动信息包括仿生机器鱼的位置坐标(x,y)、纵荡速度u和横荡速度v；
S2、基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；
S3、基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。
以下结合附图及具体实施例对上述方法进行详细解释说明。
参见图1，记期望路径为为当前路径因子对应的路径切向角(机器鱼跟踪过程中实际上是跟踪时变的虚拟点，该点即为路径因子)，其中/>为路径因子相关的系数。图1为视线制导律示意图，其中ye为侧向跟踪误差(侧向跟踪误差为当前路径因子的切向方向上的误差量，沿途跟踪误差为法向方向上的误差量)，Δh为前瞻距离，为侧滑角。针对传统视线制导律中侧向误差和沿途误差的收敛存在耦合的问题，本实施例的路径因子通过求解以下最优化问题进行更新以确保每个控制周期内的沿途跟踪误差为0，进而将路径跟踪问题简化为侧向跟踪误差控制问题：
参见图1，以当前路径因子对应的点为原点、以其切向方向为X轴正方向建立SF坐标系，则SF坐标系下的跟踪误差可通过下式得到：
其中，路径角可通过计算得到。本实施例只关注平面上的运动，因而建立平面三维运动学模型为：
其中u,v分别为机器鱼的纵荡速度和横荡速度，ψ为机器鱼实时偏航角，r为机器鱼的艏摇角速度。对侧向误差进行微分，可得：
由于侧滑角β通常较小，常存在|β|≤10°，则通常有sinβ≈β和cosβ≈1成立，故上式可重写为:
本实施例的有限时间侧滑观测器设计为：
此时将式(6)与式(5)作差，可得观测误差为：
定义李雅普诺夫函数为对其进行微分并将式(7)代入，可得：
其中
引理1：设(a1,a2,a3,…,an)∈Rn，且0<ρ<2，则存在以下不等式成立：
引理2：有限时间收敛理论：对于非线性自治系统若存在一个正定连续可微的标量函数/>满足以下条件
其中α>0,0<ρ<1。则该系统在原点处是有限时间稳定的。
由引理1可得：
注意到应存在常数θ0满足0<θ0<1，使得有即/>成立，故可得：
根据引理2，估计误差将会在有限时间收敛到(0,0).基于该有限时间侧滑观测器，本发明设计了带有补偿项的视线制导律如下：
在该制导律控制下，机器鱼的侧向误差将得到控制，即侧向误差可以收敛到0，证明如下：
将式(11)代入式(5)，可得：
取李雅普诺夫函数为对其进行微分并将式(12)代入，可得：
其中根据Lyapunov稳定性理论可知，ye最终将收敛到0。
传统的视线导引律中，前瞻距离保持为一个常数，而这会导致机器鱼在ye较大时的收敛速度过慢。很明显，当ye较大时，此时机器鱼距离期望路径较远，我们希望机器鱼能够以最快的速度向期望路径靠近，因而此时的前视距离应该取一个较小值，此时的期望偏航角垂直于路径角，可以使机器鱼以最快的速度向期望路径靠近；而当ye较小时，我们希望获得一个较大的前视距离以减小收敛过程中的超调现象，此时期望偏航角接近于路径角。需要注意的是，虽然较小的前视距离有利于收敛，但过多地关注收敛速度会导致震荡。基于这种考虑，本实施例提出了一种时变的前瞻距离计算公式：
Δh＝(Δhmax-Δhmin)(-tanh2(kye)+1)+Δhmin (14)
其中Δhmax为时变前瞻距离的上限值，Δhmin为时变前瞻距离的下限值，而k为正的设计参数，通过调节k即可调节前瞻距离对侧向误差的敏感度。
通过以上改进的视线制导律，采用一定的内环控制器控制机器鱼按照制导子系统输出的实时期望偏航角ψd进行游动，即可实现对期望路径的稳定跟踪。完整的控制流程如附图2所示。其中，图2中，MPU6050表示型号为MPU6050的陀螺仪。
综上所述，本实施例方法相对于现有技术，至少具有如下优点及有益效果：
(1)本发明增加了侧滑角的估计补偿，通过有限时间收敛观测器对实时侧滑角进行估计，随后对期望偏航角进行修正，有效地改善制导子系统的性能，使得机器鱼能够更有效地对期望路径实施跟踪。
(2)本发明添加了自适应前瞻距离计算环节，可以有效改进收敛速度。当机器鱼与期望路径距离较远时，前瞻距离较大，此时制导子系统所提供的期望偏航角几乎垂直于当前路径因子的切向方向，可以使得侧向跟踪误差以最快的速度收敛；当机器鱼位于期望路径附近时，前瞻距离较小，此时的期望偏航角几乎等于路径角，可以有效避免超调现象。
本实施例还提供一种仿生机器鱼的路径跟踪控制系统，包括：
信息采集模块，用于建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；
估计补偿模块，用于基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；
更新控制模块，用于基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。
本实施例的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
本实施例还提供一种仿生机器鱼的路径跟踪控制装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如图3所示方法。
本实施例的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图3所示的方法。
本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；
基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，所述运动学模型的表达式为：
其中，u为仿生机器鱼的纵荡速度，v为仿生机器鱼的横荡速度，ψ为仿生机器鱼的偏航角，r为仿生机器鱼的艏摇角速度，x,y是仿生机器鱼的坐标。
3.根据权利要求2所述的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，所述有限时间侧滑观测器的表达式为：
其中，为侧向误差ye的估计值，/>为仿生机器鱼的侧滑角β的估计值，/>为有限时间侧滑观测器所估计的侧向误差与实际值的偏差；U为纵荡速度u和横荡速度v的合速度，ψ为仿生机器鱼的偏航角，ψP为仿生机器鱼的路径角，λ为常数项，sig为sig(x)函数。
4.根据权利要求3所述的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，所述侧向误差ye的微分表达式为：
由于侧滑角β通常较小，有sinβ≈β和cosβ≈1，故公式(2)为：
将公式(1)和公式(3)作差，得观测误差为：
g＝Ucos(ψ-ψP)β
其中，xd,yd为仿生机器鱼的期望坐标，为当前路径因子对应的路径切向角，/>为有限时间侧滑观测器所估计的侧滑角与实际值的偏差。
5.根据权利要求1所述的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，所述视线制导律的表达式为：
其中，ψd为期望偏航角，ψr为改进后的视线制导律所输出的期望角度，ψp为仿生机器鱼的路径角，ye为侧向误差，Δh为前瞻距离，为仿生机器鱼的侧滑角β的估计值；在该制导律控制下，仿生机器鱼的侧向误差将得到控制，即侧向误差将收敛到0。
6.根据权利要求5所述的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，所述前瞻距离Δh通过时变的前瞻距离计算公式进行计算：
其中，Δhmax为时变前瞻距离的上限值，Δhmin为时变前瞻距离的下限值，而k为正的设计参数，通过调节k来调节前瞻距离对侧向误差的敏感度。
7.根据权利要求1所述的一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法，其特征在于，在所述通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新步骤之前，还包括以下步骤：
通过滤波算法对仿生机器鱼的期望偏航角进行平滑处理。
8.一种仿生机器鱼的路径跟踪控制系统，其特征在于，包括：
信息采集模块，用于建立惯性坐标系下的仿生机器鱼的运动学模型，通过传感器获取仿生机器鱼的运动信息；
估计补偿模块，用于基于仿生机器鱼的运动信息，通过有限时间收敛侧滑观测器估计侧滑角信息，作为补偿量对自适应视线制导律进行修正，以得到期望偏航角；
更新控制模块，用于基于期望偏航角，通过内环PID控制器对仿生机器鱼的尾部摆动偏置值进行更新，以实现对仿生机器鱼的航向跟踪。
9.一种仿生机器鱼的路径跟踪控制装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-7任一项所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310610268.6A CN116736846A (zh) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310610268.6A CN116736846A (zh) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116736846A true CN116736846A (zh) | 2023-09-12 |
Family
ID=87908941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310610268.6A Pending CN116736846A (zh) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 一种仿生机器鱼的路径跟踪控制方法、系统、装置及介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116736846A (zh) |
-
2023
- 2023-05-26 CN CN202310610268.6A patent/CN116736846A/zh active Pending
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