一种基于模糊S面的仿蝠鲼航行器航向控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器控制技术领域，涉及一种基于模糊S面的仿蝠鲼航行器控制方法。

背景技术

仿蝠鲼航行器是一种采用MPF(中央/对鳍模式)模式进行推进的仿生航行器。和传统的水下航行器通过螺旋桨推进的形式不同，仿蝠鲼航行器通过胸鳍摆动产生推进力和力矩，相比于传统的水下航行器，仿蝠鲼航行器具有推进效率高，机动性好，噪声低等诸多优势。

仿蝠鲼航行器作为一种新型仿生水下航行器，航向控制是其基本控制任务，是实现更多复杂任务的基础。目前用于水下航行器控制的方法有PID控制、模糊控制等，但PID控制方法存在参数整定困难的问题，模糊控制需要依赖人为经验。S面控制算法因其不依赖于被控对象的精确数学模型，并且具有模糊控制的思想和经典PD控制的形式，被广泛的应用于水下航行器的控制系统中。但单一的控制参数难以满足仿生航行器在水下工作时的复杂工况，因此对S面控制器的参数实现在线修正，进一步提高仿生航行器的控制效果是非常必要的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于模糊S面的仿蝠鲼航行器控制方法，该控制方法能实现对S面控制器参数的在线修正，使得S面控制器性能提高，从而使仿蝠鲼航行器的抗干扰能力增加，实现仿蝠鲼航行器航向的实时调整；同时引入过渡过程，缓冲航向角误差的变化对控制输出的影响，实现仿蝠鲼航行器在急转时的稳定控制，提高航向控制时的控制精度。

技术方案

一种基于模糊S面的仿蝠鲼航行器控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过仿蝠鲼航行器自身搭载的姿态传感器，实时采集仿蝠鲼航行器的航向角ψ(t)，得到仿蝠鲼航行器的当前航向角；

与期望航向角ψ

步骤2：针对当前航向角的偏差值对目标航向角安排过渡过程，通过过渡过程函数计算过渡期间的目标航向角，对仿蝠鲼航行器的左转和右转分别进行计算当前目标航向角；

当仿蝠鲼航行器航向角突然增加时，过渡航向角的计算：

当仿蝠鲼航行器航向角突然减小时，过渡航向角的计算：

式中，ψ

步骤3：得到过渡航向角后再重新计算当前时刻航向角偏差和偏差变化率，并对航向角偏差和偏差变化率进行归一化得到当前航向偏差e及其偏差变化率

步骤4：将当前航向偏差e及其偏差变化率

步骤5：根据输入的航向偏差e和航向偏差变化率

步骤6：结合Mamdani推理算法和重心法将S面控制算法中的控制参数的模糊值清晰化，得到清晰化的S面控制参数修正量Δk

步骤7：以Δk

式中，k

步骤8：将s面的输出乘以一个比例因子映射到控制器的可执行区域，得到仿蝠鲼航行器胸鳍的可执行量，对仿蝠鲼航行器进行控制。

所述S面控制算法为

所述控制输出f的取值范围为[-1,1]。

所述S面参数整定过程中，将归一化后的航向角误差e和航向角误差变化率

所述Mamdani推理算法和重心法将S面控制算法中，采用7x7的模糊推理规则，通过模糊控制规则表查询推理得到S面控制参数的模糊语言变量；最后进行去模糊化，采用重心法去模糊化，得到清晰化的S面参数修正量Δk

所述模糊规则表

所述仿蝠鲼航行器胸鳍的可执行量f

所述控制增益K

有益效果

本发明提出的一种基于模糊S面的仿蝠鲼航行器控制方法，首先获取仿蝠鲼航行器当前的航向角信息，并计算当前航向角与给定的航向角的偏差；将航向角偏差输入到航向过渡算法中得到过渡后的期望航向角，将过渡后的期望航向作为当前时刻的期望航向角；重新计算航向角的偏差和偏差变化率；将仿蝠鲼航行器的当前航向偏差和偏差变化率输入到模糊控制器，输出S面控制器的控制参数k

与现有仿生水下航行器控制方法相比，本发明的有益效果在于：

1、利用S面控制方法设计航向控制器，控制器结构简单，易于实现且相对于模糊控制的方法对人为经验依赖较少。

2、利用模糊控制的方法实现对S面控制器控制参数的在线修正，提高航行器对不同工况的适应能力。

3、针对目标航向角发生骤变的情况，安排航向过渡过程，以缓冲航向角误差的变化对控制输出的影响，实现航行器航向在急转时的稳定控制，提高控制精度。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为本发明的控制框图

图3为本发明方法实验结果图

图4为本发明方法与经典S面控制方法实验结果对比图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出的一种基于过渡值函数模糊S面的仿蝠鲼航行器航向控制方法，包括如下步骤：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

仿蝠鲼航行器通过自身搭载的姿态传感器，实时采集仿蝠鲼航行器的航向角信息，得到仿蝠鲼航行器的当前航向角。

航向角误差按式(1)进行计算：

给定期望航向角，并计算期望航向角和当前航向角的偏差，计算方式如式(1)所示：

Δψ＝ψ(t)-ψ

式中，Δψ为当前航向角误差，ψ(t)为仿蝠鲼航行器当前航向角，ψ

航向角误差变化率按式(2)进行计算：

Δψ'＝ψ(t)-ψ(t-1) (2)

式中，Δψ'为航向角误差变化率，ψ(t)为仿蝠鲼航行器当前航向角，ψ(t-1)为仿蝠鲼航行器上一时刻航向角。

针对当前航向角的偏差值对目标航向角安排过渡过程，通过过渡过程函数计算过渡期间的目标航向角，作为当前目标航向角。对仿蝠鲼航行器的左转和右转分别进行计算，计算方式如下所示：

当仿蝠鲼航行器航向角突然增加时，过渡航向角的计算方法如式(3)所示：

当仿蝠鲼航行器航向角突然减小时，过渡航向角的计算方法如式(4)所示：

式中，ψ

得到过渡航向角后再根据公式(1)、(2)、(3)、(4)重新计算当前时刻航向角偏差和偏差变化率及其归一化值。

将仿蝠鲼航行器的归一化后的当前航向偏差e及其偏差变化率

将Δk

式中，k

该方法中所用S面算法如式(6)所示：

其中，

具体实施例

仿蝠鲼航行器包括电源模块，处理器模块，传感器模块，和执行机构模块，系统的整体框图如图1；传感器模块中的姿态传感器用于实时采集仿蝠鲼航行器的航向角信息，将采集到的数据作为仿蝠鲼航行器的当前航向角。

图2是本发明所提出的一种基于过渡值函数模糊S面的仿蝠鲼航行器航向控制原理图，图中包括输入信号，过渡过程模块，S面自适应模糊控制器模块，常规s面控制器模块，被控对象仿蝠鲼航行器，姿态传感器，系统输出量；输入信号最终经过S面控制器模块，作用于被控对象仿蝠鲼航行器上，姿态传感器采集到的航向角信号与输入的目标航向角信号进行比较，将信号的误差量作为输入变量，输入到过渡过程模块中，计算得到过渡后的期望航向角，再重新计算航向角偏差，将新计算的航向角偏差作为输入变量输入到S面自适应模糊控制器模块，作用到常规S面控制器模块上，实现S面控制器参数的在线整定和对仿蝠鲼航行器航向的闭环控制。

本发明所提出的一种基于过渡过程模糊S面的仿蝠鲼航行器航向控制方法，具体步骤如下：

仿蝠鲼航行器通过自身搭载的姿态传感器，实时采集仿蝠鲼航行器的航向角信息，得到仿蝠鲼航行器的当前航向角。

由控制系统给定期望航向角，由步骤1中实时采集的当前航向角信息，计算期望航向角和当前航向角之间的差值，得到S面控制器的输入当前航向角误差Δψ和航向角误差变化率Δψ'。

其中，航向角误差的计算方法如式(7)所示：

Δψ＝ψ(t)-ψ

式中，Δψ为当前航向角误差，ψ(t)为仿蝠鲼航行器当前航向角，ψ

航向角误差变化率的计算方法如式(8)所示：

Δψ'＝ψ(t)-ψ(t-1) (8)

式中，Δψ'为航向角误差变化率，ψ(t)为仿蝠鲼航行器当前航向角，ψ(t-1)为仿蝠鲼航行器上一时刻航向角。

将当前航向角误差Δψ和航向角误差变化率Δψ'进行归一化处理得到模糊控制器的输入，具体计算方式如下所示：

航向角误差的归一化计算方法如式(9)所示：

e＝Δψ/Δψ

式中，e为归一化后的航向角误差，Δψ为航向角误差，Δψ

航向角误差变化率的归一化计算方法如式(10)所示：

式中，

过渡过程的设计主要是为了解决在仿蝠鲼航行器的航向角骤变时稳定控制的问题，因此为了实现过渡过程对仿蝠鲼航行器在转向过程中的期望航向角的调整，对仿蝠鲼航行器的向左转向和向右转向两种转向情况分别计算过渡航向角，具体的计算方式如下所示：

当仿蝠鲼航行器航向角突然增加时，过渡航向角计算方法如式(11)所示

当仿蝠鲼航行器航向角突然减小时，过渡航向角计算方法如式(12)所示：

式中，ψ

得到过渡航向角后再根据公式(7)、(8)、(9)、(10)重新计算当前时刻航向角偏差和偏差变化率及其归一化值。

整定S面控制参数：S面参数整定过程中，将归一化后的航向角误差e和航向角误差变化率

表1参数k

/>

表2参数k

将Δk

式中，k

该发明所使用的S面控制算法如式(14)所示：

其中，

f

式中，f

将映射后的控制器输出量输入到驱动胸鳍的执行机构，执行机构作出相应的动作，胸鳍摆动使仿蝠鲼航行器的航向角发生改变，运动到期望航向上。