CN113341693A - 一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，通过姿态传感器获取当前航向信息，计算出偏航值；根据当前航行器航向偏差大小，利用模糊PD控制，在航行器滑翔航向偏差大时，将模糊PD控制算法得到的参数作为CPG相位差变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，具体表现为非对称的扑翼相位差进行定航；航向偏差小时，如下潜上浮转换阶段，模糊PD控制算法得到的参数作为CPG振幅变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，为非对称的扑翼振幅进行定航。

Description

一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法

技术领域

本发明属于仿蝠鲼航行器航向控制的方法，涉及一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，具体来说涉及的是一种利用扑翼机构产生的非对称相位差与振幅协同作用进行仿蝠鲼航行器航向控制的方法。

背景技术

仿蝠鲼水下航行器在水下滑翔机原理基础上，结合滑翔机的滑翔推进和仿海洋生物蝠鲼的柔性推进，实现滑扑一体化，具有长航程和高机动的特性，可以实现广域粗维度、定点细维度的水下观测，更适应于各种复杂海域。

由于水下环境复杂，存在着不同强度、速度水流等干扰，易影响航行器不能按照设定航向行进。为了解决水下航行器执行任务时的偏航问题，传统的水下航行器多是依靠螺旋桨推进，推进速度快，但航行姿态难以灵活改变。且已有多种针对水下航行器航向控制的方法，如模糊控制算法、PID控制算法等，大多数是基于航行器建立的运动学和动力学模型进行控制算法设计。

仿蝠鲼航行器推进方式与传统的航行器不同，且至今没有比较准确的模型，故采用传统的方法实现其精确航向控制十分困难，需要设计一种新的航向控制的方法。而在公开的文献中，还未有用扑翼机构产生的非对称相位差与振幅协同作用来实现仿蝠鲼航行器航向控制的例子。

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扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，该方法的特点是：针对滑扑一体的仿蝠鲼航行器，将定航任务根据航向偏差的大小分为两种工况进行控制方案设计，结合模糊PID控制算法和CPG神经网络控制对扑翼***进行调节，进而完成定航游动的任务。因由扑翼非对称相位差产生的转弯速度较大且灵敏性高，故适用于航行器航向偏差大的时候；由扑翼非对称幅值产生的转弯速度较小且稳定性性高，故适用于航行器航向偏差小的时候。

为实现上述任务，本发明采用的技术方案是通过姿态传感器获取当前航向信息，计算出偏航值；根据当前航行器航向偏差大小，利用模糊PD控制，在航行器滑翔航向偏差大时，将模糊PD控制算法得到的参数作为CPG相位差变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，具体表现为非对称的扑翼相位差进行定航；航向偏差小时，如下潜上浮转换阶段，模糊PD控制算法得到的参数作为CPG振幅变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，具体表现为非对称的扑翼振幅进行定航。

本发明通过调节扑翼的非对称相位差与振幅实现仿蝠鲼水下航行器控制的基本原理是：

以仿蝠鲼航行器游动过程为例来进行分析说明，当航向偏差大时，通过两侧扑翼非对称动相位差的扑动，可以实现仿蝠鲼水下航行器的姿态调整。其实现方式主要是利用两侧扑翼不同的期望相位差产生不同的前向推进力，即左侧扑翼推进力Fl不等于右侧扑翼推进力Fr，从而产生前向推进合力和转弯力矩，扑翼扑动相位差更大的一侧获得较大推进力，从而航行器将会转向扑翼扑动相位差较小的或无相位差的一侧，以达控制航向的效果。

航向偏差小时，通过两侧扑翼非对称动振幅的扑动，可以实现仿蝠鲼水下航行器的姿态调整。其实现方式主要是利用两侧扑翼不同的期望振幅产生不同的前向推进力，即左侧扑翼推进力Fl不等于右侧扑翼推进力Fr，从而产生前向推进合力和转弯力矩，扑翼扑动振幅更大的一侧获得较大推进力，从而航行器将会转向扑翼扑动振幅较小的或无扑动的一侧，以达控制航向的效果。

技术方案

一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含2个舵机，分别命名为第一舵机1和第二舵机2，右侧命名为第三舵机3和第四舵机4；每个舵机由一个转换公式的输出控制构成一个单元；航向控制步骤如下：

步骤1：通过姿态传感器获取水下航行器当前航向角

任务设定的目标航向角为

则偏航角e：

步骤2：对偏航角求导，得到航向角偏差变化率ec：

其中：t为水下航行器的姿态传感器信息更新时间；

步骤3：将求得的偏航角和航向偏差变化率模糊化处理，其模糊化的语言变量以负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PB来表述，模糊集合为：

ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

e＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

步骤4：将模糊化的偏航角和航向偏差变化率给予模糊规则表中进行查表，即以ec值作为纵坐标，e值作为横坐标进行表格查询，对原有PD数进行自整定，模糊规则表为表1和表2，根据模糊规则表得出Δk_p、k_d值，整正后的PD参数为：

其中：k_p为原始比例系数，k_d为原始微分系数；Δk_p为模糊控制器查表得到的比例系数整定调整量，Δk_d为模糊控制器查表得到的微分系数整定调整量；k_pF为经过模糊控制器查表得到的比例系数整定调整量Δk_p与原始比例系数k_p相加后的比例系数，k_dF为经过模糊控制器查表得到的微分系数整定调整量Δk_d与原始微分系数Δk_d相加后的微分系数；

表1：k_p模糊控制系数修正表

表2：k_d模糊控制系数修正表

步骤5：利用模糊控制器整定后PID控制器计算出的航向控制量为：

离散化得：

步骤6：根据航行器从姿态传感器获取的航向偏差e为判断条件，将定航任务分为以下两种情况：

a)当e>a时，采用非对称相位差控制航向,将控制量调节航行器左右扑翼相位差，从而实现偏航姿态，完成定航任务；

b)当e≤a时，采用改变扑翼的非对称振幅来控制航向；

具体是：控制量作为相位差或者振幅变化量输入到CPG网络中，同时输入设置的扑翼的相位差、振幅、偏置、频率，经CPG网络迭代计算得到扑翼扑动的角度，从而实现用非对称振幅完成航向控制；

所述CPG神经控制网络模型：

其中，各方程分别为相位方程、振幅方程和输出方程。式中φ_i表示第i个单元的相位，ν_i表示固有频率，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，

表示期望相位差；r_i表示幅值，a_i表示控制幅值收敛速度的正常数，R_i表示期望振幅；θ_i表示输出值。

所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元1与第二单元2联系，右侧单元3与单元4联系；通过第二单元2和第三单元3建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₂₃三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝4、ω₂₃＝3。

所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元1与第二单元2联系，右侧单元3与单元4联系；通过第一单元1和第三单元3建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₃₄三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝2、ω₁₃＝1。

所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元1与第二单元2联系，右侧单元3与单元4联系；通过第一单元1和第三单元3以及第二单元2和第四单元4建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₃₄、ω₁₃、ω₂₄四种形式，取值为ω₁₂＝ω₃₄＝4、ω₁₃＝ω₂₄＝2。

所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元1与第二单元2联系，右侧单元3与单元4联系；通过第二单元2和第三单元3以及第一单元1和第四单元4建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₂₃、ω₃₄、ω₄₁四种形式，取值为ω₁₂＝ω₂₃＝ω₄₁＝ω₃₄＝3。

所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元1与第二单元2联系，右侧单元3与单元4联系；通过第一单元1和第四单元4建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₃₄、ω₁₄、三种形式，取值为ω₁₂＝ω₃₄＝2、ω₁₄＝1。

有益效果

本发明提出的一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，通过姿态传感器获取当前航向信息，计算出偏航值；根据当前航行器航向偏差大小，利用模糊PD控制，在航行器滑翔航向偏差大时，将模糊PD控制算法得到的参数作为CPG相位差变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，具体表现为非对称的扑翼相位差进行定航；航向偏差小时，如下潜上浮转换阶段，模糊PD控制算法得到的参数作为CPG振幅变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，为非对称的扑翼振幅进行定航。

采用本发明具有如下的有益效果：

1.由于仿蝠鲼航行器难以建立精确的模型，因此采用模糊PD控制，解决了无模型情况下的仿蝠鲼航行器航向控制问题，且能够在一定程度上加快了航向响应速度、减小了航向超调量。

为改善仅用扑翼非对称相位差进行航向控制超调量大的问题、仅用扑翼非对称振幅进行航向控制超响应慢的问题，本专利提出了利用扑翼产生非对称相位差和振幅进行航向控制，两者的结合既可在航行器航向偏差小时增加稳定性，又能在航向偏差大时增加灵敏性，解决了仿生航行器航向偏差变化状态下单一方法难以实现高精度定航的问题。

附图说明

图1为本发明仿蝠鲼航行器的模糊PD控制的定航原理图；

图2为本发明构建的CPG拓扑1连接示意图；

图3为本发明构建的CPG拓扑2连接示意图；

图4为本发明构建的CPG拓扑3连接示意图；

图5为本发明构建的CPG拓扑4连接示意图；

图6为本发明构建的CPG拓扑5连接示意图；

图7为本发明定航流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例的具体步骤为：通过姿态传感器获得当前航向角与当前航行器航向偏差，根据航向偏差的大小选用不同的执行机构来调整航向。

1.通过姿态传感器获取水下航行器当前航向角

任务设定的目标航向角为

则偏航角e，则

2.对偏航角求导，得到航向角偏差变化率ec，则：

其中t为水下航行器的姿态传感器信息更新时间。

将上式离散化为：

其中e(t)为当前时刻的航向角偏差，e(t-1)为上一时刻的航向角偏差。

3.将求得的偏航角和航向偏差变化率模糊化处理，其模糊化的语言变量用负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)来表述。模糊集合如下所示：

ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} (4)

e＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} (5)

将模糊化后的偏航角和航向偏差变化率给到模糊规则表中进行查表，即以ec值作为纵坐标，e值作为横坐标进行表格查询，通过模糊控制器进行查表运算对原有PD参数进行自整定，模糊规则表如表3、4所示：

附表3：

k_p模糊控制系数修正表

附表4：

k_d模糊控制系数修正表

根据模糊规则表得出Δk_p和k_d值，整正后的PD参数为：

其中k_p为原始比例系数，k_d为原始微分系数；Δk_p为模糊控制器查表得到的比例系数整定调整量，Δk_d为模糊控制器查表得到的微分系数整定调整量；k_pF为经过模糊控制器查表得到的比例系数整定调整量Δk_p与原始比例系数k_p相加后的比例系数，k_dF为经过模糊控制器查表得到的微分系数整定调整量Δk_d与原始微分系数Δk_d相加后的微分系数；

利用模糊控制器整定后PD控制器计算出的航向控制量为：

离散化可得：

由已有实验数据可得，航行器在航向偏差小的情况下，采用非对称振幅可以减少超调；航行器在航向偏差大的情况下，采用非对称相位差响应更快，基于此设计了扑翼非对称相位差与振幅协同作用来实现航行器定航。根据航行器从姿态传感器获取的航向偏差e为判断条件，将定航任务分为以下两种情况：

a)当e>a时，航向偏差大，采用非对称相位差控制航向,根据计算所得的控制量调节航行器左右扑翼相位差，从而实现偏航姿态，完成定航任务。

b)当e≤a时，航向偏差小,采用改变扑翼的非对称振幅来控制航向。

为使扑翼顺滑扑动，本专利构建了一种人工CPG神经控制网络实现仿蝠鲼航行器的扑动控制，采用最简连接的CPG相位振荡器模型，仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含2个舵机，分别命名为舵机1、2，右侧胸鳍舵机命名为舵机3、4。每个舵机由一个相位振荡器模型控制，舵机间的相互联系通过耦合项实现。左侧胸鳍单元1与单元2联系；右侧胸鳍单元3与单元4联系；通过胸鳍中间单元1和3建立左右侧胸鳍之间的联系。其连接方式如图2所示，该模型主要由相位方程、振幅方程和输出方程构成，具体如下：

其中，各方程分别为相位方程、振幅方程和输出方程。式中φ_i表示第i个单元的相位，ν_i表示固有频率，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，

表示期望相位差；r_i表示幅值，a_i表示控制幅值收敛速度的正常数，R_i表示期望振幅；θ_i表示输出值。

舵机间的相互联系通过耦合项实现，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合项，此种连接方式ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₂₃三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝4、ω₂₃＝3。

当航行器航向偏差大时，经模糊PD计算所得的控制量作为相位差变化量输入到CPG网络中，同时输入设置的扑翼的振幅、偏置、频率，经CPG网络迭代计算得到扑翼扑动的角度，从而实现用非对称相位差完成航向控制。当航行器需要左转来调整航行时，扑翼左侧相位差减小，右侧相位差增大，左侧扑翼推进力Fl小于右侧扑翼推进力Fr，完成左转达到目标航向；当航行器需要右转来调整航行时，扑翼左侧相位差增大，右侧相位差减小，左侧扑翼推进力Fl大于右侧扑翼推进力Fr，完成右转达到目标航向。

当航行器航向偏差小时，经模糊PD计算所得的控制量作为振幅变化量输入到CPG网络中，同时输入设置的扑翼的相位差、偏置、频率，经CPG网络迭代计算得到扑翼扑动的角度，从而实现用非对称振幅完成航向控制。当航行器需要左转来调整航行时，扑翼左侧振幅减小，右侧振幅增大，左侧扑翼推进力Fl小于右侧扑翼推进力Fr，完成左转达到目标航向；当航行器需要右转来调整航行时，扑翼左侧振幅增大，右侧振幅减小，左侧扑翼推进力Fl大于右侧扑翼推进力Fr，完成右转达到目标航向。

具体其程序流程图如图7所示。

当CPG相位振荡器模型拓扑采用图3时，振荡器模型中单元连接为单元1与单元2连接；单元1与单元3连接；单元3与单元4连接。ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合项，此种连接方式ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₃₄三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝2、ω₁₃＝1。

当CPG相位振荡器模型拓扑采用图4时，振荡器模型中单元连接为单元1与单元2连接；单元3与单元4连接；单元1与单元3连接；单元2与单元4连接。ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合项，此种连接方式ω_ij只存在ω₁₂、ω₃₄、ω₁₃、ω₂₄四种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝4、ω₁₃＝ω₂₄＝2。

当CPG相位振荡器模型拓扑采用图5时，振荡器模型中单元连接为单元1与单元2连接；单元2与单元3连接；单元3与单元4连接；单元4与单元1连接。ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合项，此种连接方式ω_ij只存在ω₁₂、ω₂₃、ω₃₄、ω₄₁四种形式，可取值为ω₁₂＝ω₂₃＝ω₄₁＝ω₃₄＝3。

当CPG相位振荡器模型拓扑采用图6时，振荡器模型中单元连接为单元1与单元2连接；单元3与单元4连接；单元1与单元4连接。ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合项，此种连接方式ω_ij只存在ω₁₂、ω₃₄、ω₁₄、三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝2、ω₁₄＝1。

Claims (6)

1.一种基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含2个舵机，分别命名为第一舵机(1)和第二舵机(2)，右侧命名为第三舵机(3)和第四舵机(4)；每个舵机由一个转换公式的输出控制构成一个单元；航向控制步骤如下：

步骤1：通过姿态传感器获取水下航行器当前航向角

任务设定的目标航向角为

则偏航角e：

步骤2：对偏航角求导，得到航向角偏差变化率ec：

其中：t为水下航行器的姿态传感器信息更新时间；

步骤3：将求得的偏航角和航向偏差变化率模糊化处理，其模糊化的语言变量以负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM以及正大PB来表述，模糊集合为：

ec＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

e＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

步骤4：将模糊化的偏航角和航向偏差变化率给予模糊规则表中进行查表，即以ec值作为纵坐标，e值作为横坐标进行表格查询，对原有PD数进行自整定，模糊规则表为表1和表2，根据模糊规则表得出Δk_p、k_d值，整正后的PD参数为：

其中：k_p为原始比例系数，k_d为原始微分系数；Δk_p为模糊控制器查表得到的比例系数整定调整量，Δk_d为模糊控制器查表得到的微分系数整定调整量；k_pF为经过模糊控制器查表得到的比例系数整定调整量Δk_p与原始比例系数k_p相加后的比例系数，k_dF为经过模糊控制器查表得到的微分系数整定调整量Δk_d与原始微分系数Δk_d相加后的微分系数；

表1：k_p模糊控制系数修正表

表2：k_d模糊控制系数修正表

步骤5：利用模糊控制器整定后PID控制器计算出的航向控制量为：

离散化得：

步骤6：根据航行器从姿态传感器获取的航向偏差e为判断条件，将定航任务分为以下两种情况：

a)当e＞a时，采用非对称相位差控制航向，将控制量调节航行器左右扑翼相位差，从而实现偏航姿态，完成定航任务；

b)当e≤a时，采用改变扑翼的非对称振幅来控制航向；

具体是：控制量作为相位差或者振幅变化量输入到CPG网络中，同时输入设置的扑翼的相位差、振幅、偏置、频率，经CPG网络迭代计算得到扑翼扑动的角度，从而实现用非对称振幅完成航向控制；

所述CPG神经控制网络模型：

其中，各方程分别为相位方程、振幅方程和输出方程。式中φ_i表示第i个单元的相位，ν_i表示固有频率，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，

表示期望相位差；r_i表示幅值，a_i表示控制幅值收敛速度的正常数，R_i表示期望振幅；θ_i表示输出值。

2.根据权利要求1所述基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元(1)与第二单元(2)联系，右侧单元(3)与单元(4)联系；通过第二单元(2)和第三单元(3)建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₂₃三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝4、ω₂₃＝3。

3.根据权利要求1所述基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元(1)与第二单元(2)联系，右侧单元(3)与单元(4)联系；通过第一单元(1)和第三单元(3)建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₃₄三种形式，可取值为ω₁₂＝ω₃₄＝2、ω₁₃＝1。

4.根据权利要求1所述基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元(1)与第二单元(2)联系，右侧单元(3)与单元(4)联系；通过第一单元(1)和第三单元(3)以及第二单元(2)和第四单元(4)建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₃₄、ω₁₃、ω₂₄四种形式，取值为ω₁₂＝ω₃₄＝4、ω₁₃＝ω₂₄＝2。

5.根据权利要求1所述基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元(1)与第二单元(2)联系，右侧单元(3)与单元(4)联系；通过第二单元(2)和第三单元(3)以及第一单元(1)和第四单元(4)建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₂₃、ω₃₄、ω₄₁四种形式，取值为ω₁₂＝ω₂₃＝ω₄₁＝ω₃₄＝3。

6.根据权利要求1所述基于扑翼非对称相位差与振幅的航向控制方法，其特征在于：所述CPG网络拓扑结构为：左侧第一单元(1)与第二单元(2)联系，右侧单元(3)与单元(4)联系；通过第一单元(1)和第四单元(4)建立左右侧之间的联系；其中的第j个单元对第i个单元的耦合权重ω_ij只存在ω₁₂、ω₃₄、ω₁₄、三种形式，取值为ω₁₂＝ω₃₄＝2、ω₁₄＝1。

Images