[發明專利]一種聯合橫滾機構與撲翼非對稱相位差的航向控制方法

有效

• 申請號: 202110635057.9
• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113342013B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 曹勇;馬淑敏;謝鈺;張代利;郝藝偉
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種聯合橫滾機構與撲翼非對稱相位差的航向控制方法，通過姿態傳感器獲取當前航向信息，計算出偏航值；根據當前航行器縱平面速度快慢，利用模糊PID控制，在航行器滑翔縱平面速度較快時，采用橫滾機構進行航向控制，速度較慢時，如下潛上浮轉換階段，采用非對稱的撲翼相位差進行定航。橫滾機構與撲翼協同控制既可降低功耗，解決了仿生航行器長期撲動功耗大的問題，能在航行器縱向速度大時僅轉動橫滾塊這單獨一個機構來控制航向，減小能耗；又能在縱向速度減小，橫滾機構不能有效控制航向時，采用撲翼的非對稱相位差控制。使得航行器在整個航行的航向控制過程中響應更快、機動性更高，更能適應海況復雜多變的海域。

技術領域

本發明屬于仿蝠鲼航行器航向控制的方法，涉及一種聯合橫滾機構與撲翼非對稱相位差的航向控制方法，具體來說涉及的是一種利用橫滾機構和撲翼相位差協同作用進行仿蝠鲼航行器航向控制的方法。

背景技術

水下滑翔機是一種在海洋中作滑翔運動并在運動過程中采集觀測海洋環境的新型觀測平臺，利用自身重力與浮力差驅動運動，實現海洋的大區域多尺度監測，適用于海洋環境觀測和軍事領域的探測。仿蝠鲼水下航行器在水下滑翔機原理基礎上，結合滑翔機的滑翔推進和仿海洋生物蝠鲼的柔性推進，實現滑撲一體化，具有更好的機動性和更高的隱蔽性，可以實現廣域粗維度、定點細維度的水下觀測，更適應于各種復雜海域。

為了解決水下航行器執行任務時的偏航問題，傳統的水下航行器多是依靠螺旋槳推進，推進速度快，但航行姿態難以靈活改變。且已有多種針對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，大多數是基于航行器建立的運動學和動力學模型進行控制算法設計。而仿蝠鲼航行器推進方式與傳統的航行器不同，且至今沒有比較準確的模型，故采用傳統的方法實現其精確航向控制十分困難，需要設計一種新的航向控制的方法。而在公開的文獻中，還未有用橫滾機構和撲翼相位差協同作用來實現仿蝠鲼航行器航向控制的例子。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種聯合橫滾機構與撲翼非對稱相位差的航向控制方法，針對滑撲一體的仿蝠鲼航行器，將定航任務根據縱向速度的大小分為兩種工況進行控制方案設計，結合模糊PID控制算法對橫滾機構和經CPG神經網絡控制的撲翼系統進行調節，進而完成定航游動的任務。

為實現上述任務，本發明采用的技術方案是通過姿態傳感器獲取當前航向信息，計算出偏航值；根據當前航行器縱平面速度快慢，利用模糊PID控制，在航行器滑翔縱平面速度較快時，采用橫滾機構進行航向控制，速度較慢時，如下潛上浮轉換階段，采用非對稱的撲翼相位差進行定航。

本發明通過調節橫滾機構、撲翼的非對稱相位差實現仿蝠鲼水下航行器控制的基本原理是：

以仿蝠鲼航行器滑行過程為例來進行分析說明，當仿蝠鲼航行器以一定速度下潛滑翔的時候，調節橫滾機構發生偏轉，此時仿蝠鲼航行器將沿著航行器的弦向發生偏轉，使仿蝠鲼航行器呈現偏轉狀態。由于航行器機體與水平面間存在一個夾角，這時垂直于航行器表面的流體動力將產生一個使航行器繞過重心的豎直軸的偏航力矩，導致仿蝠鲼航行器航向發生變化。利用這個偏航力矩就可以對仿蝠鲼航行器的航向進行矯正。

縱平面速度較慢時，通過兩側撲翼以非對稱的相位差撲動，也可以實現仿蝠鲼水下航行器的姿態調整。通過對生物蝠鲼的研究表明，生物蝠鲼胸鰭撲動產生的推進力與波動傳遞的方向相反，當生物蝠鲼兩側胸鰭撲動產生的波動傳遞方向相反時，會形成轉彎力矩，從而完成轉彎。同樣當仿蝠鲼水下航行器兩側撲翼以非對稱相位差撲動時，可以在主體兩側形成同方向而不同大小甚至不同方向的波動傳遞，從而形成轉彎力矩，實現航行器的姿態調整。

技術方案

一種聯合橫滾機構與撲翼非對稱相位差的航向控制方法，其特征在于：航行器左側包含2個舵機，分別命名為第一舵機1和第二舵機2，右側命名為第三舵機3和第四舵機4；每個舵機由一個轉換公式的輸出控制構成一個單元；航向控制步驟如下：