仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。该方法包括：采集仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；根据仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与期望跟踪路径，计算仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、航向和视线点，利用反步法设计仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；根据两侧长鳍控制量对仿生波动鳍推进水下航行器进行实时导航控制。由此本发明专利技术实施例解决了如何使仿生波动鳍推进水下航行器精确地实现水下路径跟踪的技术问题。

Path tracking control method of underwater vehicle under biomimetic undulatory fin propulsion

The invention discloses a path tracking control method of a bionic undulatory fin propulsion underwater vehicle. The method includes: collecting the bionic undulating fin advancing position and heading vehicle real-time underwater; based on bionic undulatory fin propulsion underwater vehicle's current position and track the desired path, calculate the bionic undulating fin propulsion underwater vehicle currently need to track the sight point and desired heading angle; according to the bionic undulating fin propulsion under water the current vehicle position, heading and sight, using backstepping bionic undulating fin vehicle dynamics law of underwater propulsion control; fuzzy reasoning mapping dynamic control and bionic undulating fin vehicle wave fin propulsion underwater control parameters based on the obtained on both sides of fin control; according to both sides of the long fin control the amount of the vehicle real-time navigation and control of water on the bionic undulating fin propulsion. Thus, the embodiment of the invention solves the technical problem that the bionic undulatory fin can be used to push the underwater vehicle to realize underwater path tracking accurately.

【技术实现步骤摘要】
仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法
本专利技术涉及仿生学
，尤其是涉及一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。
技术介绍
目前，自主水下航行器已被广泛应用在海洋和军事等领域，例如海洋生物观察、水下资源勘探、海上军事打击等。随着对水下航行器机动性、稳定性、抗干扰能力、噪声等方面的要求越来越高，采用波动鳍推进的仿生水下航行器逐渐受到研究人员和工程师的关注。近十年来,研究人员设计了多种波动鳍推进水下航行器。早在2001年，英国赫瑞瓦特大学设计了一种长鳍驱动装置。2012年,南洋理工大学研制了一种仿生机器蝠鲼。2013年,西北大学模仿长刀鱼研制了一种仿生长鳍驱动机器鱼。但以上大多数研究人员侧重于波动鳍的控制，较少考虑水下航行器精确的运动控制，而这往往对于仿生水下航行器的实际应用十分重要。造成上述缺陷的主要原因可能是波动鳍推进水下航行器是一个多变量、非线性、强耦合的欠驱动系统，难以建立精确系统模型，较难实现精确的闭环位置控制。路径跟踪控制的目标是使航行器沿事先规划的空间轨迹运动。对于水下航行器的路径跟踪问题,国内外学者也开展了一些研究工作。例如Aguiar等采用李雅普诺夫直接法和反步设计法设计了一种非线性自适应路径点跟踪控制器，仿真结果表明该控制器能控制欠驱动水下航行器沿由指定路径点组成的路径运动。王宏建等针对欠驱动水下航行器的直线路径跟踪控制问题，基于虚拟向导建立了路径跟踪误差模型，采用反馈增益反步法设计路径跟踪控制器。张国庆等运用反步法针对欠驱动舰船路径跟踪问题设计了一个精简自适应神经网络控制框架，并进行了数值仿真证明该框架的有效性。尽管上诉文献在路径跟踪控制上都取得了较为理想的结果，但大多数方法依赖精确的数学模型，然而水下航行器，尤其是波动鳍推进水下航行器的精确数学模型在实际中往往难以获得，这就造成控制器对模型参数不确定性及外部扰动适应能力不足，从而跟踪精度不高，并且较少有研究人员将提出的路径跟踪控制方法应用的到实际的系统中，主要原因可能是水下环境的不确定性及复杂性。需要指出的是，仿生波动鳍推进水下航行器与传统的依靠螺旋桨驱动的水下航行器的驱动模式存在很大的区别，需要针对其专门设计路径跟踪方法。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何使仿生波动鳍推进水下航行器精确地实现水下路径跟踪的技术问题，提供一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。为了实现上述目的，提供以下技术方案：一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法，该方法包括：确定期望跟踪路径；采集仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；根据仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与期望跟踪路径，计算仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、航向和视线点，利用反步法设计仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；根据两侧长鳍控制量对仿生波动鳍推进水下航行器进行实时导航控制，实现路径跟踪控制。优选地，确定期望跟踪路径具体包括：根据下式确定期望跟踪路径：Ω(s)＝[xd(s)，yd(s)]T其中，Ω(s)表示期望跟踪路径；s表示期望跟踪路径的弧长；xd(s)、yd(s)表示期望跟踪路径上点的坐标。优选地，根据仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与期望跟踪路径，计算仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角，具体包括：根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置确定视线点；将仿生波动鳍推进水下航行器当前位置指向视线点的向量的方向角，确定为第一期望航向角；利用视线导航系统进行补偿，得到第二期望航向角，并将第二期望航向角作为仿生波动鳍推进水下航行器的期望航向角。优选地，根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置确定视线点具体包括：若仿生波动鳍推进水下航行器与期望跟踪路径的距离小于距离阈值，则将期望跟踪路径上更前端的交点确定为视线点；若仿生波动鳍推进水下航行器与期望跟踪路径的距离大于或等于距离阈值，则将期望跟踪路径上距离仿生波动鳍推进水下航行器当前位置最近的点确定为视线点。优选地，根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、航向和视线点，利用反步法设计仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律，具体包括：根据视线点坐标，建立以下跟踪误差方程：其中，exy为仿生波动鳍推进水下航行器与期望跟踪路径之间的水平距离；ψe为航向角偏差；ψ表示航向；ψD表示第二期望航向角；xd、yd表示视线点的位置；x、y分别表示仿生波动鳍推进水下航行器的实时位置；根据跟踪误差方程，建立以下仿生波动鳍推进水下航行器的运动学模型：其中，表示仿生波动鳍推进水下航行器与期望跟踪路径之间的水平距离；表示航向角偏差的导数；u、v、r分别表示为仿生波动鳍推进水下航行器的进退速度、侧移速度及偏航角速度；根据运动学模型，计算得到运动学跟踪控制率：其中，δ为一任意小的正常数；n为任一自然数；ψe为航向角偏差；k1，k2为控制器设计参数，且满足k2＞k1＞0；根据运动学跟踪控制率，计算得到以下动力学控制律：其中，τu、τr分别表示动力学控制量，τu表示进退方向推进力，τr表示偏航力矩；ki(i＝1...4)表示控制器设计参数，且满足ki＞0，k2＞k1＞0；表示运动控制学跟踪控制率参数的导数，其中α1＝k1(exy-δ)cosn(ψe)，n取正整数，m11、m22、m33表示仿生波动鳍推进水下航行器的质量及附加质量矩阵对角线上的元素；d11、d33表示线性阻尼矩阵对角线上的元素；β1、β3表示运动学误差量，β1＝u-α1，β3＝r-α3。优选地，基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量，具体包括：基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，并进行模糊化；其中，仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数包括左侧长鳍鳍面波频率、右侧长鳍鳍面波频率、鳍面波幅值和相邻鳍条相位差；建立模糊规则库；根据模糊规则库和模糊化后的进退方向推进力、偏航力矩，并采用最小法得到左右鳍波动频率、鳍面波幅值、相邻鳍条相位差的模糊控制量；根据模糊控制量，采用加权平均法进行解模糊运算，得到两侧长鳍控制量。优选地，基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，并进行模糊化，具体包括：确定进退方向推进力、偏航力矩、左右鳍波动频率、鳍面波幅值和相邻鳍条相位差的论域；选择模糊语言子集及三角形隶属度函数，从而进行模糊化。本专利技术实施例提供一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。该方法包括：确定期望跟踪路径；采集仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；根据仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与期望跟踪路径，计算仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、航向和视线点，利用反步法设计仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；根据两侧长鳍控制量对仿生波动鳍推本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：确定期望跟踪路径；采集所述仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；根据所述仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与所述期望跟踪路径，计算所述仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；根据所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、所述航向和所述视线点，利用反步法设计所述仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；根据所述两侧长鳍控制量对所述仿生波动鳍推进水下航行器进行实时导航控制，实现路径跟踪控制。

【技术特征摘要】
1.一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：确定期望跟踪路径；采集所述仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；根据所述仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与所述期望跟踪路径，计算所述仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；根据所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、所述航向和所述视线点，利用反步法设计所述仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；根据所述两侧长鳍控制量对所述仿生波动鳍推进水下航行器进行实时导航控制，实现路径跟踪控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定期望跟踪路径具体包括：根据下式确定所述期望跟踪路径：Ω(s)＝[xd(s)，yd(s)]T其中，所述Ω(s)表示所述期望跟踪路径；所述s表示所述期望跟踪路径的弧长；所述xd(s)、所述yd(s)表示所述期望跟踪路径上点的坐标。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与所述期望跟踪路径，计算所述仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角，具体包括：根据所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置确定所述视线点；将所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置指向所述视线点的向量的方向角，确定为第一期望航向角；利用视线导航系统进行补偿，得到第二期望航向角，并将所述第二期望航向角作为所述仿生波动鳍推进水下航行器的所述期望航向角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置确定所述视线点具体包括：若所述仿生波动鳍推进水下航行器与所述期望跟踪路径的距离小于距离阈值，则将所述期望跟踪路径上更前端的交点确定为所述视线点；若所述仿生波动鳍推进水下航行器与所述期望跟踪路径的距离大于或等于所述距离阈值，则将期望跟踪路径上距离所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置最近的点确定为所述视线点。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、所述航向和所述视线点，利用反步法设计所述仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律，具体包括：根据视线点坐标，建立以下跟踪误差方程：其中，所述exy为所述仿生波动鳍推进水下航行器与所述期望跟踪路径之间的水平距离；所述ψe为航向角偏差；所述ψ表示航向；所述ψD表示所述第二期望航向角；所述xd、所述yd表示视线点的位置；所述x、所述y分别表示所述仿生波动鳍推进水下航行器的实时位置；根据所述跟踪误差方程，建立以下所述仿生波动鳍推进水下航行器的运动学模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，王睿，唐冲，王硕，谭民，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11