一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，属于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制领域，尤其是针对于MFC仿生机器鱼水下水平面的速度控制相关，实现MFC仿生机器鱼在复杂水厂环境下的机动航行，本发明专利技术利用MPU6050六轴传感器测量MFC仿生机器鱼的游动速度信息，采用分数阶比例积分微分控制(分数阶PID控制)，实现在较短的时间内到达稳定，有效降低了针对于噪声等因素致使误差变化放大所导致的控制震荡问题，拓展了针对于MFC仿生机器鱼的速控制的稳定性，提高了速度控制的响应速度。度控制的响应速度。度控制的响应速度。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法


[0001]本专利技术涉及MFC仿生机器鱼的运动控制领域，尤其与MFC仿生机器鱼的速度控制方法有关，实现和拓展了MFC仿生机器鱼在复杂环境速度的稳定和快速相应控制。

技术介绍

[0002]深海探测、海洋地质考察、海洋石油勘测、海洋渔业监测等领域，水下机器人得到广泛深度应用。水下机器人主要包括遥控水下机器人和自主水下机器人两大类，其中遥控水下机器人采用脐带电缆作为水下机器人的供电和遥控通信链路，可以在远端遥控所安装的机械手进行水下作业，例如固定目标的抓取、石油管路的检修、海洋资源的取样等深海水下危险作业任务，在固定范围内水下遥控机器人作业能力无可替代；而自主水下机器人不依赖脐带缆进行供电和通信，作业半径广，同时能够搭载声学、光学、导航等多种载荷，进行海洋地质勘测、深海资源探查、深海水文环境的探测等多种复合任务，缺点是需要自身自带能源，作业时间受限，同时对于本体的线形设计要求较高，水下机器人技术涉及到多学科和多
的知识，但其中的关键技术之一是水下推进技术，传统的水下机器热门多采用螺旋桨推进，存在着结构复杂，体积大，对于环境扰动大，噪声大，而海洋水生生物经过漫长的自然进化，发展出各具特色的游动方式和游动能力，能够以低功耗以及较高的效率实现长距离的巡游，且能够在巡航游动过程中实现快速的机动响应，以智能材料及压电纤维复合材料是一种集感知和驱动为一体的新型功能材料，压电纤维复合材料为驱动的机器鱼其结构简单，体积小、噪声低且能够模拟水生生物的柔性动作。

技术实现思路

[0003]基于压电纤维复合材料(MFC)仿生机器鱼的速度控制，模拟水生生物的柔性动作，实现在水下低噪声高效率的游动，通过六轴传感器MPU6050测量MFC仿生机器鱼的游动速度信息，针对随着时间增加的积分漂移和温度漂移所带来的误差问题，通过互补滤波的方式处理过的有效数据进行积分运算可以得到MFC仿生机器鱼的实际运动速度；针对于噪声等因素致使误差变化放大所带来的控制震荡问题，采用分数阶PID控制，贴近实际的游动状态，拓展了仿生机器鱼在速度控制上的稳定性，同时提高了MFC仿生机器鱼在水下机动能力，达到了对于MFC仿生机器鱼在水下复杂环境下的速度控制，采用分数阶比例积分微分构建控制律对于动力学的模型的依赖性降低，提高了控制系统的鲁棒性。
[0004]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，包括以下步骤：
[0005]通过六轴传感器获取当前时刻速度V1，并根据给定的速度指令V，得到MFC仿生机器鱼的速度误差e(t)；
[0006]根据MFC仿生机器鱼的速度误差构建分数阶PID控制器u(t)；
[0007]根据分数阶PID控制器，改变频率以控制速度，并离散化；
[0008]根据离散化后的分数阶PID控制器输出频率，通过分数阶PID控制器实现对MFC仿
生机器鱼的速度控制。
[0009]所述通过六轴传感器获取当前时刻速度V1，包括以下步骤：
[0010]根据MFC仿生机器鱼的当前时刻的加速度a
n
和间隔一个采样时间的前一时刻加速度a
n
‑1和初速度V0得到当前时刻的速度V1；
[0011][0012]其中，ΔT为六轴传感器的采样时间；a为六轴传感器测量到的有效加速度；V0为MFC仿生机器鱼的初始速度。
[0013]所述构建分数阶PID控制器u(t)；
[0014][0015]其中，k
p
为比例系数，k
i
为分数阶积分系数，k
d
为分数阶微分系数，t0与t1分别为分数阶积分与微分长度，表示分数阶积分，为分数阶微分，U与θ是值在(0，1)内的加权系数与微分项阶次。
[0016]所述根据分数阶PID控制器，改变频率以控制速度，通过下式实现：
[0017][0018]其中，Δf(t)为控制器输出频率的增益，k
p
为比例系数，k
i
为分数阶积分系数，k
d
为分数阶微分系数，t0与t1分别为分数阶积分与微分长度，表示分数阶积分，为分数阶微分，U与θ是值在(0，1)内的加权系数与微分项阶次；其中：
[0019][0020][0021]其中Γ(
·
)为欧拉第二积分，为函数变换形式，τ为积分变量。
[0022]所述离散化如下：
[0023][0024]其中，e
′
(nk)为e(nk)的微分表现形式，其中e(nk)、f(nk)、γ(nk)代表t＝nk(n≥0)时刻e(t)、f(t)、γ(t)的值，符号*代表卷积运算，γ(t0)为单位阶跃函数，为固定形式：
[0025][0026]Δf(t)为控制器输出频率的增益，k
p
为比例系数，k
i
为分数阶积分系数，k
d
为分数阶微分系数，t0与t1分别为分数阶积分与微分长度，表示分数阶积分，为分数阶微分，U与θ是值在(0，1)内的加权系数与微分项阶次。
[0027]所述根据离散化后的分数阶PID控制器输出频率，通过分数阶PID控制器实现对
MFC仿生机器鱼的速度控制，具体如下：
[0028]令f(K)＝f(nk)，e(K)＝e(nk)；在K时刻，e(K)若为负值，表示实际速度大于设定速度，进行减速，而e(K)若为正值，表示实际速度小于设定速度，进行加速；
[0029]则在K时刻，分数阶PID控制器的输出频率为f(K)，控制MFC仿生机器鱼的MFC控制器动作频率，实现速度控制；
[0030]其中，f(K)＝Δf(K)
‑
f(K
‑
1)，Δf(t)为控制器输出频率的增益，f(t)为频率，e(t)为速度误差。
[0031]一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制系统，包括：
[0032]误差生成模块，用于通过六轴传感器获取当前时刻速度V1，并根据给定的速度指令V，得到MFC仿生机器鱼的速度误差e(t)；
[0033]分数阶PID控制器构建模块，用于根据MFC仿生机器鱼的速度误差构建分数阶PID控制器u(t)；
[0034]离散控制模块，用于根据分数阶PID控制器，改变频率以控制速度，并离散化；根据离散化后的分数阶PID控制器输出频率，通过分数阶PID控制器实现对MFC仿生机器鱼的速度控制。
[0035]一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法。
[0036]一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：通过六轴传感器获取当前时刻速度V1，并根据给定的速度指令V，得到MFC仿生机器鱼的速度误差e(t)；根据MFC仿生机器鱼的速度误差构建分数阶PID控制器u(t)；根据分数阶PID控制器，改变频率以控制速度，并离散化；根据离散化后的分数阶PID控制器输出频率，通过分数阶PID控制器实现对MFC仿生机器鱼的速度控制。2.根据权利要求1所述的一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，其特征在于，所述通过六轴传感器获取当前时刻速度V1，包括以下步骤：根据MFC仿生机器鱼的当前时刻的加速度a
n
和间隔一个采样时间的前一时刻加速度a
n
‑1和初速度V0得到当前时刻的速度V1；其中，ΔT为六轴传感器的采样时间；a为六轴传感器测量到的有效加速度；V0为MFC仿生机器鱼的初始速度。3.根据权利要求1所述的一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，其特征在于，所述构建分数阶PID控制器u(t)；其中，k
p
为比例系数，k
i
为分数阶积分系数，k
d
为分数阶微分系数，t0与t1分别为分数阶积分与微分长度，表示分数阶积分，为分数阶微分，U与θ是值在(0，1)内的加权系数与微分项阶次。4.根据权利要求1所述的一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，其特征在于，所述根据分数阶PID控制器，改变频率以控制速度，通过下式实现：其中，Δf(t)为控制器输出频率的增益，k
p
为比例系数，k
i
为分数阶积分系数，k
d
为分数阶微分系数，t0与t1分别为分数阶积分与微分长度，表示分数阶积分，为分数阶微分，U与θ是值在(0，1)内的加权系数与微分项阶次；其中：为分数阶微分，U与θ是值在(0，1)内的加权系数与微分项阶次；其中：其中Γ(
·
)为欧拉第二积分，为函数变换形式，τ为积分变量。5.根据权利要求1所述的一种适用于压电纤维复合材料仿生机器鱼的速度控制方法，其特征在于，所述离散化如下：
其中，e
′
(nk)为e(nk)的微分表现形式，其中e(nk)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏林，田启岩，周雪山，白金刚，郑鑫辉，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：