[發明專利]一種基于撲翼非對稱相位差與振幅的航向控制方法

有效

• 申請號: 202110635072.3
• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113341693B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 曹勇;謝鈺;馬淑敏;郝藝偉;張代利
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 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

1.一種基于撲翼非對稱相位差與振幅的航向控制方法，其特征在于：仿蝠鲼航行器左側胸鰭包含2個舵機單元，分別命名為第一舵機單元(1)和第二舵機單元(2)，右側命名為第三舵機單元(3)和第四舵機單元(4)；每個舵機單元由一個轉換公式的輸出控制構成一個舵機單元；航向控制步驟如下：

步驟1：通過姿態傳感器獲取水下航行器當前航向角任務設定的目標航向角為則偏航角e：

步驟2：對偏航角求導，得到航向角偏差變化率ec：

其中：t為水下航行器的姿態傳感器信息更新時間；

步驟3：將求得的偏航角和航向偏差變化率模糊化處理，其模糊化的語言變量以負大NB、負中NM、負小NS、零Z0、正小PS、正中PM以及正大PB來表述，模糊集合為：

ec＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

e＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

步驟4：將模糊化的偏航角和航向偏差變化率給予模糊規則表中進行查表，即以ec值作為縱坐標，e值作為橫坐標進行表格查詢，對原有PD數進行自整定，模糊規則表為表1和表2，根據模糊規則表得出Δk_p、k_d值，整正后的PD參數為：

其中：k_p為原始比例系數，k_d為原始微分系數；Δk_p為模糊控制器查表得到的比例系數整定調整量，Δk_d為模糊控制器查表得到的微分系數整定調整量；k_pF為經過模糊控制器查表得到的比例系數整定調整量Δk_p與原始比例系數k_p相加后的比例系數，k_dF為經過模糊控制器查表得到的微分系數整定調整量Δk_d與原始微分系數Δk_d相加后的微分系數；

表1：k_p模糊控制系數修正表

表2：k_d模糊控制系數修正表

步驟5：利用模糊控制器整定后PID控制器計算出的航向控制量為：

離散化得：

步驟6：根據航行器從姿態傳感器獲取的航向偏差e為判斷條件，將定航任務分為以下兩種情況：

a)當ea時，采用非對稱相位差控制航向,將控制量調節航行器左右撲翼相位差，從而實現偏航姿態，完成定航任務；

b)當e≤a時，采用改變撲翼的非對稱振幅來控制航向；

具體是：控制量作為相位差或者振幅變化量輸入到CPG神經控制網絡中，同時輸入設置的撲翼的相位差、振幅、偏置、頻率，經CPG神經控制網絡迭代計算得到撲翼撲動的角度，從而實現用非對稱振幅完成航向控制；

所述CPG神經控制網絡模型：

其中，各方程分別為相位方程、振幅方程和輸出方程， 式中φ_i表示第i個單元的相位，ν_i表示固有頻率，ω_ij表示第j個單元對第i個單元的耦合權重，表示期望相位差；r_i表示幅值，a_i表示控制幅值收斂速度的正常數，R_i表示期望振幅；θ_i表示輸出值。

2.根據權利要求1所述基于撲翼非對稱相位差與振幅的航向控制方法，其特征在于：所述CPG網絡拓撲結構為：左側第一舵機單元(1)與第二舵機單元(2)聯系，右側第三舵機單元(3)與第四舵機單元(4)聯系；通過第二舵機單元(2)和第三舵機單元(3)建立左右側之間的聯系；其中的第j個舵機單元對第i個舵機單元的耦合權重ω_ij只存在ω₁₂、ω₁₃、ω₂₃三種形式，可取值為ω₁₂＝ω₁₃＝4、ω₂₃＝3。