一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法，通过深度传感器采集仿蝠鲼航行器当前的深度，计算其与期望深度的偏差；将仿蝠鲼航行器的深度偏差和深度偏差的变化率作为模糊控制器的输入，通过模糊控制器得到S面控制器的两个控制参数k1和k2的变化值Δk1和Δk2；利用Δk1和Δk2分别对改进的S面控制器中对应的k1和k2进行实时修正，将修正后的控制参数k1和k2作为改进的s面控制算法在当前时刻的控制参数；采用改进的S面控制算法，控制仿蝠鲼航行器的尾鳍偏置角度，使仿蝠鲼航行器运动到期望的深度。动到期望的深度。动到期望的深度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法


[0001]本专利技术属于水下仿生航行器控制
，涉及一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法。

技术介绍

[0002]自主水下航行器(AUV)作为人类探索开发海洋的一种重要工具，近年来受到越来越多的关注。其在海洋地形探测，海洋环境监测，海洋科考等方面均有广泛的应用。水中的鱼类经过不断的进化之后，具备了优良的水下运动能力，鱼类的水下运动具有能耗低、效率高、机动性好等诸多良好特性。模仿鱼类的外形和运动方式是一种设计水下航行器的可行方式，将鱼作为仿生对象所构建的水下航行器称为仿生水下机器人。根据用于产生推进力的不同可以将大部分的水下航行器分为：BCF模式和MPF模式。MPF模式的机器鱼相较于BCF模式的机器鱼有更高的机动性、更小的转弯半径、更好的航行稳定性以及更强的搭载能力。仿蝠鲼航行器是一种典型的MPF机器鱼。将仿蝠鲼航行器用于实际作业任务时，一般要求其在一个固定的深度进行稳定的运动，因此深度控制是仿蝠鲼航行器的基本控制目标。只有仿蝠鲼航行器具备良好的深度控制能力，才能保证在复杂的水下环境中顺利的完成作业任务、
[0003]仿生水下航行器常用的控制方法有：模糊控制、滑模控制、神经网络控制等方法。但上述方法通常存在依赖人工经验、航行器模型等问题。而s面控制融合了模糊控制和PID控制的思想，可以不依赖于人工经验和航行器模型，是一种水下航行器的常用控制方法。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法，解决现有仿蝠鲼航行器深度控制的不足。
[0006]技术方案
[0007]一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：通过深度传感器采集仿蝠鲼航行器当前的深度h(t)，计算其与期望深度h0的偏差Δh，即仿蝠鲼航行器的当前深度偏差Δh；
[0009]步骤2：将仿蝠鲼航行器的深度偏差Δh和深度偏差的变化率Δh'作为模糊控制器的输入，经模糊逻辑表推理后得到S面控制器的两个控制参数k1和k2的变化值Δk1和Δk2；
[0010]步骤3：利用Δk1和Δk2分别对改进的S面控制器中对应的k1和k2进行实时修正，将修正后的控制参数k1和k2作为改进的s面控制算法在当前时刻的控制参数；
[0011]所述k1和k2进行修正：
[0012][0013]式中：k1'和k2'为s面控制参数的初始值；Δk1和Δk2为模糊推理的调整值，作为模
糊自适应S面控制的参数值；
[0014]步骤4：采用改进的S面控制算法，以修正后的k1和k2作为改进的s面控制方法的输入，得到改进的s面控制输出：
[0015][0016]其中，e为归一化处理后的偏差；为归一化处理后的偏差变化率；k1为偏差对应的控制参数，k2为偏差变化率对应的控制参数；f为控制器的控制输出；α和β为控制S面非对称输出的正因子；
[0017]步骤5：控制仿蝠鲼航行器的尾鳍偏置角度，使仿蝠鲼航行器运动到期望的深度；将S面输出的值映射到尾鳍偏置角度的的基本变化区间上得到尾鳍偏置角度Rx：
[0018]Rx＝K
u
×
f
[0019]式中，R
x
为尾鳍偏置角度，K
u
为控制增益，f为控制器的输出。
[0020]所述归一化处理后的偏差e＝Δh/Δh
max
，式中，e为归一化处理后的深度偏差，Δh
max
为深度偏差的最大值。
[0021]所述归一化处理后的深度偏差变化率式中，为归一化处理后的深度偏差变化率，Δh'
max
为深度偏差变化率的最大值。
[0022]所述归一化处理后深度偏差e以及深度偏差变化率作为模糊控制器的输入。
[0023]所述实时修正时，将步骤2的输入输出均被归一化到[
‑
1,1]区间上，并在各个量的变化区间上定义7个模糊子集：{PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大)}；然后对控制参数k1和k2的整定建立2输入单输出的模糊规则表：
[0024][0025][0026]所述S面控制的输出范围为[
‑
1,1]。
[0027]所述尾鳍偏置角度的基本变化区间为[
‑
60
°
,60
°
]。
[0028]有益效果
[0029]本专利技术提出的一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法，包括：通过深度传感器采集仿蝠鲼航行器当前的深度，计算其与期望深度的偏差；将仿蝠鲼航行器的深度偏差和深度偏差的变化率作为模糊控制器的输入，通过模糊控制器得到S面控制器的两个控制参数k1和k2的变化值Δk1和Δk2；利用Δk1和Δk2分别对改进的S面控制器中对应的k1和k2进行实时修正，将修正后的控制参数k1和k2作为改进的s面控制算法在当前时刻的控制参数；采用改进的S面控制算法，控制仿蝠鲼航行器的尾鳍偏置角度，使仿蝠鲼航行器运动到期望的深度。
[0030]与现有仿蝠鲼航行器深度控制方向相比，本专利技术的有益效果是：
[0031]1、本专利技术基于S面设计深度控制器，控制器结构简单并且具有非线性的性质，并且相较于模糊控制器，本专利技术在控制器设计时对人为经验的依赖少；
[0032]2、本专利技术基于仿蝠鲼航行器的纵向运动特性引入非对称因子，使控制器的输出能更好的适应仿蝠鲼航行器的运动特性。
[0033]3、本专利技术利用模糊控制器实现对S面控制器控制参数的实时修正，实现仿蝠鲼航行器控制稳定性和抗干扰性的提升。
[0034]4、本专利技术利用样机进行实验，通过水池实验验证了本专利技术所提出方法用于仿蝠鲼航行器深度控制的有效性和真实性，通过对比发现相较于模糊控制器本专利技术的深度控制方法精度更高，效果更好。
附图说明
[0035]图1为本专利技术的控制框图
[0036]图2为本专利技术样机系统结构图
[0037]图3为本专利技术方法与模糊控制方法对比图
具体实施方式
[0038]现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：
[0039]为了解决现有仿蝠鲼航行器深度控制的不足，本专利技术提供了基于改进模糊S面控制算法的仿蝠鲼航行器深度控制方法。
[0040]第一方面，本专利技术提供了基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制算法。该控制算法包括基于仿蝠鲼航行器纵向运动特性的非对称S面控制算法和用于整定S面控制算法控制参数的模糊控制算法两部分。
[0041]第一部分，本专利技术提供了基于仿蝠鲼航行器纵向运动特性的非对称S面控制算法。首先对仿蝠鲼航行器在尾鳍作用下的运动特性进行分析，总结出其纵平面运动的不对称性，即在尾鳍偏转角度的绝对值相同的情况下，上浮运动的速度小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：通过深度传感器采集仿蝠鲼航行器当前的深度h(t)，计算其与期望深度h0的偏差Δh，即仿蝠鲼航行器的当前深度偏差Δh；步骤2：将仿蝠鲼航行器的深度偏差Δh和深度偏差的变化率Δh'作为模糊控制器的输入，经模糊逻辑表推理后得到S面控制器的两个控制参数k1和k2的变化值Δk1和Δk2；步骤3：利用Δk1和Δk2分别对改进的S面控制器中对应的k1和k2进行实时修正，将修正后的控制参数k1和k2作为改进的s面控制算法在当前时刻的控制参数；所述k1和k2进行修正：式中：k1'和k2'为s面控制参数的初始值；Δk1和Δk2为模糊推理的调整值，作为模糊自适应S面控制的参数值；步骤4：采用改进的S面控制算法，以修正后的k1和k2作为改进的s面控制方法的输入，得到改进的s面控制输出：其中，e为归一化处理后的偏差；为归一化处理后的偏差变化率；k1为偏差对应的控制参数，k2为偏差变化率对应的控制参数；f为控制器的控制输出；α和β为控制S面非对称输出的正因子；步骤5：控制仿蝠鲼航行器的尾鳍偏置角度，使仿蝠鲼航行器运动到期望的深度；将S面输出的值映射到尾鳍偏置角度的的基本变化区间上得到尾鳍偏置角度Rx：Rx＝K
u
×
f式中，R
x
为尾鳍偏置角度，K
u
为控制增益，f为控制器的输出。2.根据权利要求1所述基于非对称模糊S面的仿蝠鲼航行器深度控制方...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘光，何悦，谢钰，曹勇，曹永辉，马淑敏，张代利，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：