[發明專利]基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法

有效

• 申請號: 202010159727.X
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111446898B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 何波;高爽;沈鉞;嚴天宏
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H02P21/18
• 分類號: H02P21/18;H02P21/13;H02P21/00
• 代理公司: 青島匯智海納知識產權代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

1.基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟A、基于AUV運動模型得到螺旋槳轉速與AUV航速的關系，獲得在靜水環境當前螺旋槳轉速下對應的電機電流和AUV航速；

步驟B、基于模糊邏輯控制，根據AUV電機電流和轉速信息估計出當前環境下海流作用在AUV前進速度上的影響，以修正根據螺旋槳轉速計算得到的AUV航速，進而得到AUV前進速度的粗略估計值：

步驟B1、將步驟A中估計的電機電流與測量得到的電機電流的偏差以及電機轉速輸入模糊邏輯中；根據電流偏差值將偏差度分為負大NB，負中NM，負小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB七部分；將電機轉速分為低L，中低ML，中高MH，高H四部分；

步驟B2、輸入的電機轉速和電流偏差值對應的根據電機轉速隸屬度函數和電流偏差隸屬度函數劃分為不同的模糊量；

電流偏差隸屬度函數及范圍為：NB采用梯形函數范圍是-4A--2.5A，NM采用三角函數范圍是-3A--1.5A，NS采用三角函數范圍是-2A--0.5A，ZO采用三角函數范圍是-1A-1A，PS采用三角函數范圍是0.5A-2.5A，PM采用三角函數范圍是1.5A-3A，PB采用梯形函數范圍是2.5A-4A；

電機轉速隸屬度函數及范圍為：L區域采用梯形函數范圍是0-1500RPM，ML區域采用三角函數范圍是1000RPM-2500RPM，MH采用三角函數范圍是2000RPM-3500RPM，H采用梯形函數范圍3500RPM-4500RPM；

步驟B3、根據模糊邏輯規則生成對應的模糊輸出，并將模糊輸出輸入至輸出隸屬度函數得到當前環境下海流對AUV前進速度的影響，進而得到AUV前進速度的粗略估計值U’；

輸出隸屬度函數及范圍為：NB采用梯形函數范圍是-0.5m/s--0.35m/s，NM采用三角函數范圍是-0.4m/s--0.2m/s，NS采用三角函數范圍是-0.25m/s--0.05m/s，ZO采用三角函數范圍是-0.1m/s-0.1m/s，PS采用三角函數范圍是0.05m/s-0.25m/s，PM采用三角函數范圍是0.2m/s-0.4m/s，PB采用梯形函數范圍是0.35m/s-0.5m/s；

步驟C、基于電機運動方程構建擴張狀態觀測器，并將AUV前進速度的粗略估計值、電機電流作為輸入，得到外部擾動和模糊控制造成的速度誤差，得到準確的速度估計值。

2.根據權利要求1所述的基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法，其特征在于：所述步驟A具體通過以下方式實現：

首先獲得電機當前轉速n，根據前向速度估計模型U＝F(n)，利用電機轉速估計出在當前電機轉速下在無海流的水域中AUV的航速U，同時根據電機電流估計模型i＝G(n)估計出當前電機轉速下在無海流水域中電機的電流值i。

3.根據權利要求2所述的基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法，其特征在于：所述步驟C中得到準確的速度估計值具體采用以下方式：

步驟C1、構建擴張狀態觀測器

(1)確定電機的運動方程并將其寫為：

其中，T_e是電機電磁轉矩，Q_M是電機的負載轉矩，J_M是電機轉動慣量，B_v是電機摩擦系數，n是電機轉速，Q是在電機轉速n，AUV前進速U'下螺旋槳產生轉矩，Q₀是由其他損耗造成的轉矩損失；

Q表示為：

其中D是螺旋槳直徑，ρ是海水密度；

Q₀表示為：

Q₀＝0.02ΔUρD⁴n (4)

其中ΔU為因為外部因素造成的速度損失；

(2)結合式(2),(3),(4)得到擴張狀態方程：

其中C＝1，ξ＝T_e-Q；

(3)根據擴張狀態方程(5)得到擴張狀態觀測器：

其中是轉速n的觀測值，是W的觀測值，e₁是觀測輸出和輸出y的差，ζ₁,ζ₂是觀測增益；

步驟C2、將U’、測量電機電流和電機轉速輸入至擴張狀態觀測器，得到速度誤差ΔU，與U’做差得到當前環境下AUV前進速度的準確值，完成對AUV速度的估計。