[發明專利]一種基于模糊控制和卡爾曼濾波的浮標深度控制算法

有效

• 申請號: 201910901228.0
• 申請日: 2019-09-23
• 公開（公告）號: CN110703601B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 程志敏;李醒飛;楊少波;徐佳毅;李洪宇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 吳學穎

本發明公開了一種基于模糊控制和卡爾曼濾波的浮標深度控制算法：構建浮標下潛過程的動力學方程；利用模糊算法控制浮標的加速度；利用卡爾曼濾波消除測量誤差和控制干擾。本發明通過構建浮標的下潛水動力學方程，對浮標下潛的過程采用模糊控制方法實現智能控制，加入了卡爾曼濾波，減小了控制誤差和測量誤差，提高了時間誤差和深度誤差。

技術領域

本發明屬于浮標智能控制領域，更具體的說，是涉及一種基于模糊控制和卡爾曼濾波的浮標深度控制算法。

背景技術

海洋一般通過浮標和其他設備進行觀測。由于浮標可以進行水下觀測，可以獲取海洋溫度、鹽度、深度等相關參數，也可以獲取海洋的海流和海水等數據，從而了解海洋，達到預測海洋的黑潮、保障海上經濟活動和科研活動的順利進行。

智能浮標既可以錨定在特定深度的海域，測量該海域的海洋參數；也在水下的下潛與上升，對海洋各個深度的海域進行測量，獲取各個海域的海洋參數。具有遠大的前景。

智能觀測浮標通常有神經網絡和模糊控制方法。采用模糊控制方法，實時調整浮標加速度，使浮標能在期望的時間達到目標深度，并能保證到達的深度與實際深度誤差在設計范圍內。卡爾曼濾波的加入進一步縮小了時間誤差和深度誤差。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提出一種基于模糊控制和卡爾曼濾波的浮標深度控制算法，模糊控制器輸出的是加速度，加速度可以依據動力的改變實時進行調整，通過構建浮標的下潛水動力學方程，對浮標下潛的過程采用模糊控制方法實現智能控制，加入了卡爾曼濾波，減小了控制誤差和測量誤差，提高了時間誤差和深度誤差。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明基于模糊控制和卡爾曼濾波的浮標深度控制算法，包括以下步驟：

第一步：構建浮標下潛過程的動力學方程

①僅考慮智能浮標垂直方向的運動過程，忽略其他方向運動的影響；

②不考慮海流對浮標垂向運動的作用；

③智能浮標為直徑43cm球體，智能浮標下潛深度是4000m，將浮標設定為質點，浮標質量恒定不變；

④依據實驗室內部數據確定浮標下潛的阻力；

⑤考慮溫度對浮力的影響F₁；

⑥考慮壓力對浮力的影響F₂；

⑦基于上述前提，分析智能剖面浮標受力，浮標下潛時受到重力G、浮力F_f、阻力R、F₁和F₂五者的共同作用；

浮標浮在水面上的動力方程為：

其中，F_f(0)為剖面浮標初始狀態所受浮力，m是浮標的總質量；g是重力加速度，ρ(0)為海平面處的海水密度值，V₀為剖面浮標初始狀態下的體積，u(0)為剖面浮標初始速度，a(0)為剖面浮標初始加速度，H(0)剖面浮標初始深度；

浮標下潛的水動力方程為：

其中，u(t)為剖面浮標在t時刻的運行速度，u(t-Δt)為剖面浮標在t-Δt時刻的運行速度，h(t)為剖面浮標在t時刻內的位移，H為剖面浮標的總位移；

代入浮標油囊積分公式后的水動力方程為：

外油囊體積V(τ)表示為液壓油的流速對時間t的積分，即浮標處于懸停狀態，重力G等于初始浮力F_f(0)；ρ(h)表示深度h處的海水密度值；