本发明专利技术属于机器人控制领域技术领域，提供了一种水下航行器主动增稳控制方法及装置，该水下航行器主动增稳控制方法包括：获取水下航行器的第一时刻的状态变量；将状态变量输入至预测模型进行预测处理，得到水下航行器的在第二时刻的预测变量；基于多目标优化函数对预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，并基于优化解得到水下航行器在第二时刻的控制变量序列。本发明专利技术所述方法能够降低水下航行器在仿生摆尾游动过程中的头翼的旋转误差和躯干的平移误差，大幅提升了机器双髻鲨的视觉稳定性，进而提高了图像采集的质量和仿生机器鱼运动时的稳定性。动时的稳定性。动时的稳定性。
【技术实现步骤摘要】
水下航行器主动增稳控制方法及装置
[0001]本专利技术涉及机器人控制领域
，尤其涉及一种水下航行器主动增稳控制方法及装置。
技术介绍
[0002]仿生水下航行器以生物双髻鲨为仿生对象，模仿其独特的生理结构和运动模态，实现了高机动游动和宽视野感知的有效融合。
[0003]相关技术中，仿生机器鱼无论采用身体/尾鳍运动模态（Body and/or Caudal Fin，BCF）还是中间/胸鳍运动模态(Median and/or Pectoral Fin, MPF)，均会造成机体在水平或者竖直方向的节律性波动，从而导致传感数据不稳定，这会严重影响图像采集质量，造成检测和定位算法的失败，采用数字增稳技术对仿生机器鱼进行增稳时会丢失采集图像的部分前景信息，且会引入额外的计算复杂度，从而占用边缘计算资源，而采用机械增稳技术则会导致仿生机器鱼稳定性降低。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供一种水下航行器主动增稳控制方法及装置，用以解决现有技术中采用数据增稳对仿生机器鱼进行增稳时会丢失图像信息且计算复杂，采用机械增稳会降低仿生机器鱼稳定性的缺陷，提高了图像采集的质量以及仿生机器鱼运动时的稳定性。
[0005]本专利技术提供一种水下航行器主动增稳控制方法，包括：获取水下航行器的第一时刻的状态变量，所述状态变量包括所述水下航行器的偏航角变化量、侧移速度变化量、机体质心的侧移速度变化量和控制增量变化量；将所述状态变量输入至预测模型进行预测处理，得到所述水下航行器的在第二时刻的预测变量，所述预测模型基于所述水下航行器的动力学模型确定，所述第二时刻晚于所述第一时刻；基于多目标优化函数对所述预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，并基于所述优化解得到所述水下航行器在第二时刻的控制变量序列，所述控制变量序列用于控制所述水下航行器在目标控制步数内的头翼运动姿态和机体增稳，所述多目标优化函数基于所述水下航行器的偏航角误差、侧移速度误差、机体质心的侧移速度误差和控制增量误差确定。
[0006]根据本专利技术提供的一种水下航行器主动增稳控制方法，所述获取水下航行器的第一时刻的状态变量，包括：获取所述水下航行器的导航指令，所述导航指令包括所述水下航行器的偏航指令和俯仰指令；基于中枢模式发生器模型对所述导航指令进行转换，得到所述偏航角变化量，并基于目标传感器获取所述侧移速度变化量、机体质心的侧移速度变化量。
[0007]根据本专利技术提供的一种水下航行器主动增稳控制方法，所述多目标优化函数应用
如下公式得到：
[0008]其中，为预测时刻，为所述水下航行器的机体质心偏航角，为所述水下航行器的头翼关节的偏航角，为指定的目标偏航角，为机体质心在载体坐标系下的横移速度，为上一时刻头翼旋转角度与当前时刻的头翼旋转角度的差值，为预测模型的预测步长总数；Q和R均为正定矩阵，用于调节不同误差的权重关系，且满足和。
[0009]根据本专利技术提供的一种水下航行器主动增稳控制方法，所述基于多目标优化函数对所述预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，包括：基于所述多目标优化函数构造待优化问题；基于序列二次规划算法和所述预测变量对所述优化问题进行求解，得到所述优化解。
[0010]根据本专利技术提供的一种水下航行器主动增稳控制方法，所述待优化问题通过应用如下公式获取：，其中，为预测时刻，为所述多目标优化函数计算相关的状态变量。
[0011]根据本专利技术提供的一种水下航行器主动增稳控制方法，所述目标控制步数包括多个控制步数，所述控制变量序列包括所述水下航行器在所述多个控制步数分别对应的头翼关节旋转角；在所述基于所述优化解得到所述水下航行器在第二时刻的控制变量序列之后，所述方法还包括：基于所述水下航行器在所述多个控制步数分别对应的头翼关节旋转角，得到所述水下航行器在所述多个控制步数分别对应的关节旋转角速度和关节旋转角加速度。
[0012]本专利技术还提供一种水下航行器主动增稳控制装置，包括：获取模块，用于获取水下航行器的第一时刻的状态变量，所述状态变量包括所述水下航行器的偏航角变化量、侧移速度变化量、机体质心的侧移速度变化量和控制增量变化量；预测模块，用于将所述状态变量输入至预测模型进行预测处理，得到所述水下航行器的在第二时刻的预测变量，所述预测模型基于中枢模式发生器和所述水下航行器的动
力学模型确定，所述第二时刻晚于所述第一时刻；优化模块，用于基于多目标优化函数对所述预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，并基于所述优化解得到所述水下航行器在第二时刻的控制变量序列，所述控制变量序列用于控制所述水下航行器在目标控制步数内的头翼运动姿态和机体增稳，所述多目标优化函数基于所述水下航行器的偏航角误差、侧移速度误差、机体质心的侧移速度误差和控制增量误差确定。
[0013]根据本专利技术提供的一种水下航行器主动增稳控制装置，所述目标控制步数包括多个控制步数，所述控制变量序列包括所述水下航行器在所述多个控制步数分别对应的头翼关节旋转角；所述装置还包括：计算模块，用于在所述基于所述优化解得到所述水下航行器在第二时刻的控制变量序列之后，基于所述水下航行器在所述多个控制步数分别对应的头翼关节旋转角，得到所述水下航行器在所述多个控制步数分别对应的关节旋转角速度和关节旋转角加速度。
[0014]本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述水下航行器主动增稳控制方法。
[0015]本专利技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述水下航行器主动增稳控制方法。
[0016]本专利技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述水下航行器主动增稳控制方法。
[0017]本专利技术提供的水下航行器主动增稳控制方法及装置，通过获取水下航行器的第一时刻的状态变量，并将状态变量输入至预测模型进行预测处理，得到水下航行器的在第二时刻的预测变量，利用多目标优化函数对预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，并根据优化解得到水下航行器在第二时刻的控制变量序列，以控制水下航行器在目标控制步数内的头翼运动姿态和机体增稳，能够降低水下航行器在仿生摆尾游动过程中的头翼的旋转误差和躯干的平移误差，大幅提升了机器双髻鲨的视觉稳定性，进而提高了图像采集的质量和仿生机器鱼运动时的稳定性。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本专利技术提供的水下航行器主动增稳控制方法的流程示意图之一；图2是本专利技术提供的水下航行器主动增稳控制方法的流程示意图之二；图3是本专利技术提供的水下航行器主动增稳控制装置的结构示意图；图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种水下航行器主动增稳控制方法，其特征在于，包括：获取水下航行器的第一时刻的状态变量，所述状态变量包括所述水下航行器的偏航角变化量、侧移速度变化量、机体质心的侧移速度变化量和控制增量变化量；将所述状态变量输入至预测模型进行预测处理，得到所述水下航行器的在第二时刻的预测变量，所述预测模型基于所述水下航行器的动力学模型确定，所述第二时刻晚于所述第一时刻；基于多目标优化函数对所述预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，并基于所述优化解得到所述水下航行器在第二时刻的控制变量序列，所述控制变量序列用于控制所述水下航行器在目标控制步数内的头翼运动姿态和机体增稳，所述多目标优化函数基于所述水下航行器的偏航角误差、侧移速度误差、机体质心的侧移速度误差和控制增量误差确定。2.根据权利要求1所述的水下航行器主动增稳控制方法，其特征在于，所述获取水下航行器的第一时刻的状态变量，包括：获取所述水下航行器的导航指令，所述导航指令包括所述水下航行器的偏航指令和俯仰指令；基于中枢模式发生器模型对所述导航指令进行转换，得到所述偏航角变化量，并基于目标传感器获取所述侧移速度变化量、机体质心的侧移速度变化量。3.根据权利要求1所述的水下航行器主动增稳控制方法，其特征在于，所述多目标优化函数应用如下公式得到：；其中，为预测时刻，为所述水下航行器的机体质心偏航角，为所述水下航行器的头翼关节的偏航角，为指定的目标偏航角，为机体质心在载体坐标系下的横移速度，为上一时刻头翼旋转角度与当前时刻的头翼旋转角度的差值，为预测模型的预测步长总数；Q和R均为正定矩阵，用于调节不同误差的权重关系，且满足和。4.根据权利要求1所述的水下航行器主动增稳控制方法，其特征在于，所述基于多目标优化函数对所述预测变量进行非线性优化处理，得到优化解，包括：基于所述多目标优化函数构造待优化问题；基于序列二次规划算法和所述预测变量对所述优化问题进行求解，得到所述优化解。5.根据权利要求4所述的水下航行器主动增稳控制方法，其特征在于，所述待优化问题通过应用如下公式获取：
，其中，为预测时刻，为所述多目标优化函数计算相关的状态变量。6.根据权利要求1所述的水下航行器主动增稳控制方...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴正兴，闫帅铮，王健，仝茹，喻俊志，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：
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