摆尾式机器鱼的航向闭环控制与目标追踪方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种摆尾式机器鱼的航向闭环控制与目标追踪方法及系统，属于机器鱼运动控制技术领域，应用于单一舵机驱动的摆尾式机器鱼，先计算并判断当前控制周期的误差值是否超过预设阈值，若是，则以当前控制周期的误差值作为输入，利用PD控制器更新摆尾式机器鱼的舵机控制信号，按照更新后的舵机控制信号控制摆尾式机器鱼下一控制周期的运动，若否，则按照当前控制周期的舵机控制信号控制摆尾式机器鱼下一控制周期的运动，从而无需建立精确模型，无需提前制备数据集，也无需任何辅助设备，即可实现摆尾式机器鱼的自主控制，保证摆尾式机器鱼的航向稳定。机器鱼的航向稳定。机器鱼的航向稳定。

【技术实现步骤摘要】
摆尾式机器鱼的航向闭环控制与目标追踪方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器鱼运动控制
，特别是涉及一种摆尾式机器鱼的航向闭环控制与目标追踪方法及系统。

技术介绍

[0002]由于水下环境的复杂性、特殊性，无人水下系统运动过程中易受海浪、海流及海底地形等外界因素干扰，且通讯环境恶劣，导致其运动控制与传统陆、空航行器或机器人有较大区别。
[0003]基于仿生学原理的鱼形机器人(即机器鱼)，由于其形态、推进模式多样，不同推进模式机器鱼之间的控制方法存在着迥异差别。就单一舵机推进的机器鱼而言，其摆尾运动产生的鱼头晃动幅度相对较大，为产生一定前进速度所需要的摆动频率相对较高，因此解决由鱼尾摆动产生的航向晃动问题是对该类机器鱼进行航向稳定控制的关键。
[0004]现有的机器鱼自主控制研究普遍存在着难以在实际水域环境应用的问题，主要由于建模困难、运动复杂、感知能力不足等关键问题。首先，对于依赖模型的控制方法，由于在模型建立过程中引入了复杂的动力学模型，易导致机器鱼计算能力无法匹配算法性能；其次，依赖提前制备运动数据集或运动映射表的控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种摆尾式机器鱼的航向闭环控制方法，应用于单一舵机驱动的摆尾式机器鱼，其特征在于，所述航向闭环控制方法包括：获取当前控制周期所采集的鱼头航向集合；所述鱼头航向集合包括所述当前控制周期内采集的多个鱼头航向角；以所述当前控制周期的鱼头航向集合和上一控制周期的鱼头航向集合作为输入，利用平均值计算公式计算得到所述当前控制周期的平均航向偏差；计算所述当前控制周期的平均航向偏差与初始指定航向的差值，得到所述当前控制周期的误差值；判断所述当前控制周期的误差值是否超过预设阈值；若是，则以所述当前控制周期的误差值作为输入，利用PD控制器更新摆尾式机器鱼的舵机控制信号，按照更新后的舵机控制信号控制所述摆尾式机器鱼下一控制周期的运动；若否，则按照所述当前控制周期的舵机控制信号控制所述摆尾式机器鱼下一控制周期的运动。2.根据权利要求1所述的航向闭环控制方法，其特征在于，所述平均值计算公式为：其中，Δx
k
为平均航向偏差；为当前控制周期的鱼头航向集合的第i个鱼头航向角；为上一控制周期的鱼头航向集合的第i个鱼头航向角；N为鱼头航向集合内的鱼头航向角的总个数；i＝1，2，...，N。3.根据权利要求1所述的航向闭环控制方法，其特征在于，所述PD控制器的表达式为：U
PD
(k)＝K
p
e(k)+K
d
Δe(k)；其中，U
PD
(k)为PD控制器的输出值；K
p
为PD控制器的比例环节参数；K
d
为PD控制器的微分环节参数；e(k)为误差；Δe(k)为误差变化率。4.根据权利要求3所述的航向闭环控制方法，其特征在于，所述舵机控制信号的表达式为：α(t)＝Asin(ωt)+B(t)；其中，α(t)为舵机控制信号；A为鱼尾摆动幅值；ω为角频率；t为时间；B(t)为偏置调节量。5.根据权利要求4所述的航向闭环控制方法，其特征在于，所述以所述当前控制周期的误差值作为输入，利用PD控制器更新摆尾式机器鱼的舵机控制信号具体包括：以所述当前控制周期的误差值作为误差，以所述当前控制周期的误差值和上一控制周期的误差值的差值作为误差变化率，输入至PD控制器，得到PD控制器的输出值；将所述PD控制器的输出值加到摆尾式机器鱼的舵机控制信号的偏置调节量上，以更新所述摆尾式机器鱼的舵机控制信号。6.根据权利要求3所述的航向闭环控制方法，其特征在于，所述PD控制器的建立方法包括：以舵机控制信号作为输入信号，以鱼头航向运动信号作为输出信号，构建所述输入信号和所述输出信号之间的传递函数；
根据所述传递函数获取微分方程；选取鱼头航向角作为状态变量，根据所述微分方程确定状态空间；对所述状态空间进行离散化，得到离散状态表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：马中静，韩佳蓉，赵祖欣，邹苏郦，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：