[发明专利]一种基于质心与尾鳍的仿蝠鲼水下航行器定深控制方法

说明书

本发明涉及一种基于质心与尾鳍的仿蝠鲼水下航行器定深控制方法，针对模型不确定性强的胸鳍推进仿生水下航行器，采用分段将定深任务分为三个阶段，结合模糊控制器对PID系数实施在线修正，实现对质心结构与尾鳍的调节，进而完成定深游动的任务。定深过程中水下航行器的胸鳍机构由舵机驱动且始终保持扑动状态，舵机输出定常的幅值与相位差以产生沿载体坐标系X轴的推力。通过改变质心块的前后移动及尾鳍的上下偏转产生俯仰力矩，达到定深效果。

技术领域

本发明属于水下航行器运动控制领域，涉及一种基于质心与尾鳍的仿蝠鲼水下航行器定深控制方法，是基于质心与尾鳍协同控制的仿蝠鲼水下航行器的定深控制方法。

背景技术

仿蝠鲼水下航行器是一种新型仿生水下航行器，采用胸鳍推进模式，具有高效率、高机动性、高稳定性、低扰动等显著优点，可以实现优秀的原位观测、适应复杂海域，同时还具有良好的生物亲和性，可用于珊瑚海星灾害监测、海洋牧场鱼情监测等领域，具有广阔的应用前景和理论研究价值。

胸鳍推进仿生水下航行器的模型十分复杂，至今没有关于胸鳍摆动式推进鱼类的比较准确的模型，限制了传统控制方法在仿生航行器上的应用。目前，针对本类型航行器常用的定深控制方法有模糊控制算法、PID控制算法等，但模糊控制算法的信息简单处理将导致系统控制精度降低、动态性能变差；PID控制算法中参数为定值，不随系统变化，不具有自整定特性。在公开的文献中，少有提及胸鳍仿生水下航行器定深控制的具体方法，如专利：一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法[P].CN111284663B与专利：仿生蝠鲼机器人[P].CN112093018A。

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质心与尾鳍的仿蝠鲼水下航行器定深控制方法，是一种基于质心机构与尾鳍协同控制的仿蝠鲼水下航行器的定深控制方法。

技术方案

一种基于质心与尾鳍的仿蝠鲼水下航行器定深控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、计算深度偏差及深度偏差变化率：通过深度传感器获得水下航行器的当前深度为y，向下为正；任务设定的参考深度为y_d，则深度偏差Δy为：

Δy＝y-y_d

对深度偏差求导，得到深度偏差变化率v为：

其中：t为水下航行器的深度传感器信息更新周期；

步骤2、以深度偏差作为输入将定深任务分为以下三个工况：

(1)迅速下潜/上浮：当Δy≥a时，即当前深度远离目标深度，水下航行器处于迅速下潜/上浮阶段，采用表1与表3组合而成的大模糊PID比例系数整定范围；

(2)启动定深：当a≥Δy≥b时，当前深度靠近目标深度，水下航行器处于预备定深阶段，采用表2与表3组合而成的模糊PID比例系数范围整定范围；

(3)保持定深：当Δy≤c时，当前深度近似等于目标深度，无需进行调节；

其中：a,b,c分别为深度大误差、深度小误差和深度误差允许值，依据任务要求设置；

所述步骤(1)和步骤(2)中的整定范围取决于基于模糊控制器修正PID控制器参数，即模糊控制器同时以深度偏差与深度偏差变化率作为输入，利用模糊控制器修正PID控制器参数；

深度偏差与深度偏差变化率的离散论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊语言值同样为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

以Δy作为横坐标E的值、_v作为纵坐标Ec的值进行表格查询，整正后的PID参数为：