本發(fā)明涉及仿生學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制方法。

背景技術(shù)：

目前，自主水下航行器已被廣泛應(yīng)用在海洋和軍事等領(lǐng)域，例如海洋生物觀察、水下資源勘探、海上軍事打擊等。隨著對水下航行器機(jī)動性、穩(wěn)定性、抗干擾能力、噪聲等方面的要求越來越高，采用波動鰭推進(jìn)的仿生水下航行器逐漸受到研究人員和工程師的關(guān)注。

近十年來,研究人員設(shè)計(jì)了多種波動鰭推進(jìn)水下航行器。早在2001年，英國赫瑞瓦特大學(xué)設(shè)計(jì)了一種長鰭驅(qū)動裝置。2012年,南洋理工大學(xué)研制了一種仿生機(jī)器蝠鲼。2013年,西北大學(xué)模仿長刀魚研制了一種仿生長鰭驅(qū)動機(jī)器魚。但以上大多數(shù)研究人員側(cè)重于波動鰭的控制，較少考慮水下航行器精確的運(yùn)動控制，而這往往對于仿生水下航行器的實(shí)際應(yīng)用十分重要。造成上述缺陷的主要原因可能是波動鰭推進(jìn)水下航行器是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的欠驅(qū)動系統(tǒng)，難以建立精確系統(tǒng)模型，較難實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)位置控制。

路徑跟蹤控制的目標(biāo)是使航行器沿事先規(guī)劃的空間軌跡運(yùn)動。對于水下航行器的路徑跟蹤問題,國內(nèi)外學(xué)者也開展了一些研究工作。例如Aguiar等采用李雅普諾夫直接法和反步設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了一種非線性自適應(yīng)路徑點(diǎn)跟蹤控制器，仿真結(jié)果表明該控制器能控制欠驅(qū)動水下航行器沿由指定路徑點(diǎn)組成的路徑運(yùn)動。王宏建等針對欠驅(qū)動水下航行器的直線路徑跟蹤控制問題，基于虛擬向?qū)Ы⒘寺窂礁櫿`差模型，采用反饋增益反步法設(shè)計(jì)路徑跟蹤控制器。張國慶等運(yùn)用反步法針對欠驅(qū)動艦船路徑跟蹤問題設(shè)計(jì)了一個(gè)精簡自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制框架，并進(jìn)行了數(shù)值仿真證明該框架的有效性。盡管上訴文獻(xiàn)在路徑跟蹤控制上都取得了較為理想的結(jié)果，但大多數(shù)方法依賴精確的數(shù)學(xué)模型，然而水下航行器，尤其是波動鰭推進(jìn)水下航行器的精確數(shù)學(xué)模型在實(shí)際中往往難以獲得，這就造成控制器對模型參數(shù)不確定性及外部擾動適應(yīng)能力不足，從而跟蹤精度不高，并且較少有研究人員將提出的路徑跟蹤控制方法應(yīng)用的到實(shí)際的系統(tǒng)中，主要原因可能是水下環(huán)境的不確定性及復(fù)雜性。需要指出的是，仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與傳統(tǒng)的依靠螺旋槳驅(qū)動的水下航行器的驅(qū)動模式存在很大的區(qū)別，需要針對其專門設(shè)計(jì)路徑跟蹤方法。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，即為了解決如何使仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器精確地實(shí)現(xiàn)水下路徑跟蹤的技術(shù)問題，提供一種仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供以下技術(shù)方案：

一種仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制方法，該方法包括：

確定期望跟蹤路徑；

采集仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器實(shí)時(shí)的位置和航向；

根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的當(dāng)前位置與期望跟蹤路徑，計(jì)算仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前需要跟蹤的視線點(diǎn)以及期望航向角；

根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置、航向和視線點(diǎn)，利用反步法設(shè)計(jì)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的動力學(xué)控制律；

基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，得到兩側(cè)長鰭控制量；

根據(jù)兩側(cè)長鰭控制量對仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航控制，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤控制。

優(yōu)選地，確定期望跟蹤路徑具體包括：

根據(jù)下式確定期望跟蹤路徑：

Ω(s)＝[x_d(s)，y_d(s)]^T

其中，Ω(s)表示期望跟蹤路徑；s表示期望跟蹤路徑的弧長；x_d(s)、y_d(s)表示期望跟蹤路徑上點(diǎn)的坐標(biāo)。

優(yōu)選地，根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的當(dāng)前位置與期望跟蹤路徑，計(jì)算仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前需要跟蹤的視線點(diǎn)以及期望航向角，具體包括：

根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置確定視線點(diǎn)；

將仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置指向視線點(diǎn)的向量的方向角，確定為第一期望航向角；

利用視線導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，得到第二期望航向角，并將第二期望航向角作為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的期望航向角。

優(yōu)選地，根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置確定視線點(diǎn)具體包括：

若仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑的距離小于距離閾值，則將期望跟蹤路徑上更前端的交點(diǎn)確定為視線點(diǎn)；

若仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑的距離大于或等于距離閾值，則將期望跟蹤路徑上距離仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置最近的點(diǎn)確定為視線點(diǎn)。

優(yōu)選地，根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置、航向和視線點(diǎn)，利用反步法設(shè)計(jì)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的動力學(xué)控制律，具體包括：

根據(jù)視線點(diǎn)坐標(biāo)，建立以下跟蹤誤差方程：

其中，e_xy為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑之間的水平距離；ψ_e為航向角偏差；ψ表示航向；ψ_D表示第二期望航向角；x_d、y_d表示視線點(diǎn)的位置；x、y分別表示仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的實(shí)時(shí)位置；

根據(jù)跟蹤誤差方程，建立以下仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的運(yùn)動學(xué)模型：

其中，表示仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑之間的水平距離；表示航向角偏差的導(dǎo)數(shù)；u、v、r分別表示為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的進(jìn)退速度、側(cè)移速度及偏航角速度；

根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型，計(jì)算得到運(yùn)動學(xué)跟蹤控制率：

其中，δ為一任意小的正常數(shù)；n為任一自然數(shù)；ψ_e為航向角偏差；k₁，k₂為控制器設(shè)計(jì)參數(shù)，且滿足k₂＞k₁＞0；

根據(jù)運(yùn)動學(xué)跟蹤控制率，計(jì)算得到以下動力學(xué)控制律：

其中，τ_u、τ_r分別表示動力學(xué)控制量，τ_u表示進(jìn)退方向推進(jìn)力，τ_r表示偏航力矩；k_i(i＝1...4)表示控制器設(shè)計(jì)參數(shù)，且滿足k_i＞0，k₂＞k₁＞0；表示運(yùn)動控制學(xué)跟蹤控制率參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，其中α₁＝k₁(e_xy-δ)cosⁿ(ψ_e)，n取正整數(shù)，m₁₁、m₂₂、m₃₃表示仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的質(zhì)量及附加質(zhì)量矩陣對角線上的元素；d₁₁、d₃₃表示線性阻尼矩陣對角線上的元素；β₁、β₃表示運(yùn)動學(xué)誤差量，β₁＝u-α₁，β₃＝r-α₃。

優(yōu)選地，基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，得到兩側(cè)長鰭控制量，具體包括：

基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，并進(jìn)行模糊化；其中，仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)包括左側(cè)長鰭鰭面波頻率、右側(cè)長鰭鰭面波頻率、鰭面波幅值和相鄰鰭條相位差；

建立模糊規(guī)則庫；

根據(jù)模糊規(guī)則庫和模糊化后的進(jìn)退方向推進(jìn)力、偏航力矩，并采用最小法得到左右鰭波動頻率、鰭面波幅值、相鄰鰭條相位差的模糊控制量；

根據(jù)模糊控制量，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊運(yùn)算，得到兩側(cè)長鰭控制量。

優(yōu)選地，基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，并進(jìn)行模糊化，具體包括：

確定進(jìn)退方向推進(jìn)力、偏航力矩、左右鰭波動頻率、鰭面波幅值和相鄰鰭條相位差的論域；

選擇模糊語言子集及三角形隸屬度函數(shù)，從而進(jìn)行模糊化。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制方法。該方法包括：確定期望跟蹤路徑；采集仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器實(shí)時(shí)的位置和航向；根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的當(dāng)前位置與期望跟蹤路徑，計(jì)算仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前需要跟蹤的視線點(diǎn)以及期望航向角；根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置、航向和視線點(diǎn)，利用反步法設(shè)計(jì)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的動力學(xué)控制律；基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，得到兩側(cè)長鰭控制量；根據(jù)兩側(cè)長鰭控制量對仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航控制，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤控制。通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明實(shí)施例解決了如何使仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器精確地實(shí)現(xiàn)水下路徑跟蹤的技術(shù)問題，提高了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器水下運(yùn)動控制精度，提高了路徑跟蹤的精度，還縮短了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的冗余航程。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制方法的流程示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的視線導(dǎo)航系統(tǒng)工作示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于模糊推理的推進(jìn)力和偏航力矩―行波參數(shù)映射模型工作示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器直線路徑跟蹤示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器直線路徑跟蹤軌跡示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器直線路徑跟蹤誤差曲線示意圖；

圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器圓路徑跟蹤示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器圓路徑跟蹤軌跡示意圖；

圖10為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器圓路徑跟蹤誤差曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這些實(shí)施方式僅僅用于解釋本發(fā)明的技術(shù)原理，并非旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供的方法基于仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制器。圖1示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制器的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該控制器主要包括：視線導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)、反步法控制器及基于模糊推理的參數(shù)映射系統(tǒng)。其中，視線導(dǎo)航系統(tǒng)接收期望跟蹤路徑以及仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器(RobCutt-II)反饋來的實(shí)時(shí)的位置(x，y)，然后將視線點(diǎn)輸出至反步法控制器；反步法控制器還接收RobCutt-II反饋來的實(shí)時(shí)位置和航向信息，輸出進(jìn)退方向推進(jìn)力和偏航力矩，并將其輸出至基于模糊推理的參數(shù)映射系統(tǒng)；基于模糊推理的參數(shù)映射系統(tǒng)進(jìn)行處理后向RobCutt-II輸出左側(cè)長鰭鰭面波頻率、右側(cè)長鰭鰭面波頻率、鰭面波幅值和相鄰鰭條相位差。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑跟蹤控制方法。如圖2所示，該方法可以包括：

S1：確定期望跟蹤路徑。

本步驟描述給定期望跟蹤路徑參數(shù)化方程。期望跟蹤路徑可以是事先規(guī)劃好的。

具體地，本步驟可以包括：

根據(jù)下式確定期望跟蹤路徑：

Ω(s)＝[x_d(s)，y_d(s)]^T

其中，Ω(s)表示期望跟蹤路徑；s表示期望跟蹤路徑的弧長；x_d(s)、y_d(s)表示期望跟蹤路徑上點(diǎn)的坐標(biāo)。

Ω(s)＝[x_d(s)，y_d(s)]^T為給定期望路徑在固定坐標(biāo)系的坐標(biāo)表示為一標(biāo)量參數(shù)的函數(shù)。

S2：采集仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器實(shí)時(shí)的位置和航向。

在實(shí)際應(yīng)用中，本步驟可以通過慣導(dǎo)或全局視覺系統(tǒng)，來采集仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器(RobCutt-II)實(shí)時(shí)的位置(x，y)、航向ψ。

S3：根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的當(dāng)前位置與期望跟蹤路徑，計(jì)算仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前需要跟蹤的視線點(diǎn)以及期望航向角。

具體地，本步驟可以包括：

S31：根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置確定視線點(diǎn)。

本步驟還可以進(jìn)一步包括：

S311：若仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑的距離小于距離閾值，則將期望跟蹤路徑上更前端的交點(diǎn)確定為視線點(diǎn)；

S312：若仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑的距離大于或等于距離閾值，則將期望跟蹤路徑上距離仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置最近的點(diǎn)確定為視線點(diǎn)。

圖3示例性地示出了視線導(dǎo)航系統(tǒng)工作示意圖。

舉例來說，如圖3所示，設(shè)第二步中獲得的仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的實(shí)時(shí)位置為p(x，y)，航向?yàn)棣祝掖嬖谝詐(x，y)為圓心、半徑為γ＞0的虛擬圓與之相伴。若仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑Ω的距離小于γ，則與仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器相伴的虛擬圓會與期望跟蹤路徑相交于兩點(diǎn)p′_los，p_los(x_d，y_d)，此時(shí)，視線點(diǎn)選取為期望跟蹤路徑上更前端的交點(diǎn)p_los(x_d，y_d)；若仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑的距離大于或等于γ，則與仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器相伴的虛擬圓與期望跟蹤路徑無交點(diǎn)或只相交于一點(diǎn)，此時(shí)視線點(diǎn)選取為期望跟蹤路徑上距離仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置最近的點(diǎn)。

S32：將仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置指向視線點(diǎn)的向量的方向角確定為第一期望航向角。

視線點(diǎn)確定后，為控制RobCutt-II朝視線點(diǎn)運(yùn)動，可將RobCutt-II的第一期望航向角ψ_d定義為由RobCutt-II當(dāng)前位置指向視線點(diǎn)的向量的方向角，即第一期望航向角可以定義為：

其中，x_e＝x-x_d，y_e＝y(tǒng)-y_d；x_d和y_d表示視線點(diǎn)的位置；sgn(·)表示符號函數(shù)，且sgn(0)＝1；ψ_d表示第一期望航向角；x、y表示RobCutt-II的實(shí)時(shí)位置。

S33：利用視線導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，得到第二期望航向角，并將第二期望航向角作為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的期望航向角。

為減少存在未知擾流時(shí)候的跟蹤誤差，本步驟在上式描述的第一期望航向角的基礎(chǔ)上添加補(bǔ)償項(xiàng)。

例如，根據(jù)下式利用視線導(dǎo)航系統(tǒng)得到第二期望航向角：

ψ_D＝ψ_d+c₀tanh(c₁e_xy)·f_lr

其中，e_xy為RobCutt-II與期望跟蹤路徑之間的水平距離；c₀，c₁為可調(diào)參數(shù)；f_lr為符號函數(shù)，當(dāng)RobCutt-II在期望跟蹤路徑左側(cè)時(shí)f_lr＝1，當(dāng)RobCutt-II在期望路徑上時(shí)f_lr＝0，當(dāng)RobCutt-II在期望跟蹤路徑右側(cè)時(shí)，f_lr＝-1；ψ_D表示第二期望航向角。

S4：根據(jù)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器當(dāng)前位置、航向和視線點(diǎn)，利用反步法設(shè)計(jì)仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的動力學(xué)控制律。

具體地，本步驟可以包括：

S41：根據(jù)視線點(diǎn)坐標(biāo)，建立以下跟蹤誤差方程：

其中，e_xy為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑之間的水平距離；ψ_e為航向角偏差；ψ表示航向；ψ_D表示第二期望航向角。

S42：根據(jù)跟蹤誤差方程，建立以下仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的運(yùn)動學(xué)模型：

其中，表示仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器與期望跟蹤路徑之間的水平距離的導(dǎo)數(shù)；表示航向角偏差的導(dǎo)數(shù)；u、v、r分別表示為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的進(jìn)退速度、側(cè)移速度及偏航角速度。

S43：根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型，計(jì)算得到運(yùn)動學(xué)跟蹤控制率：

其中，δ為一任意小的正常數(shù)；n為任一自然數(shù)；v表示為仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的側(cè)移速度；ψ_e為航向角偏差；k₁，k₂為控制器設(shè)計(jì)參數(shù)，且需滿足k₂＞k₁＞0。

S45：根據(jù)運(yùn)動學(xué)跟蹤控制率，計(jì)算得到以下動力學(xué)控制律：

其中，τ_u、τ_r分別表示動力學(xué)控制量，τ_u表示進(jìn)退方向推進(jìn)力，τ_r表示偏航力矩；k_i(i＝1...4)表示控制器設(shè)計(jì)參數(shù)，且滿足k_i＞0，k₂＞k₁＞0；表示運(yùn)動控制學(xué)跟蹤控制率參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，其中α₁＝k₁(e_xy-δ)cosⁿ(ψ_e)，n取正整數(shù)，ψ_e為航向角偏差；m₁₁、m₂₂、m₃₃表示RobCutt-II的質(zhì)量及附加質(zhì)量矩陣對角線上的元素；d₁₁、d₃₃表示線性阻尼矩陣對角線上的元素；β₁、β₃表示運(yùn)動學(xué)誤差量，β₁＝u-α₁，β₃＝r-α₃。

S5：基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系，得到兩側(cè)長鰭控制量。

其中，仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)包括但不限于左側(cè)長鰭鰭面波頻率F_L、右側(cè)長鰭鰭面波頻率F_R、鰭面波幅值A(chǔ)和相鄰鰭條相位差

圖4示例性地示出了基于模糊推理的推進(jìn)力和偏航力矩―行波參數(shù)映射模型工作示意圖，其包括模糊化、模糊推理、模糊規(guī)則庫和解模糊化。

具體地，本步驟S5可以包括：

S51：基于模糊推理建立動力學(xué)控制量和仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)之間的映射關(guān)系進(jìn)行模糊化。其中，仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器波動鰭控制參數(shù)包括左側(cè)長鰭鰭面波頻率、右側(cè)長鰭鰭面波頻率、鰭面波幅值和相鄰鰭條相位差。

進(jìn)一步地，步驟S51還可以包括：

S511：確定進(jìn)退方向推進(jìn)力、偏航力矩、左右鰭波動頻率、鰭面波幅值和相鄰鰭條相位差的論域。

例如，可以進(jìn)行如下設(shè)置：進(jìn)退方向推進(jìn)力τ_u的論域?yàn)閇-7,7]，偏航力矩τ_r的論域?yàn)閇-5,5]，左右鰭波動頻率F_L和F_R的論域均為[-40,40]，鰭面波幅值A(chǔ)的論域取為[10,40]，相鄰鰭條相位差論域?yàn)閇0,120]。

S512：選擇模糊語言子集及三角形隸屬度函數(shù)，從而進(jìn)行模糊化。

下面對模糊語言子集的選擇進(jìn)行舉例說明：τ_u、τ_r、F_L、F_R、A、分別對應(yīng)模糊變量T_u、T_r、U_A、其中，U_A的模糊語言值元素集合取為{PS,PM,PB,PL}；T_u、T_r、的模糊語言值元素均選取為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；的模糊語言值集合為{Z,PS,PM,PB}。其中{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

S52：建立模糊規(guī)則庫。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)對RobCutt-II運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)，建立模糊規(guī)則庫。具體地，可以根據(jù)以下準(zhǔn)則進(jìn)行建立模糊規(guī)則庫：

(1)設(shè)置航向控制優(yōu)先級高于進(jìn)退方向的控制優(yōu)先級；

該準(zhǔn)則可以確保當(dāng)轉(zhuǎn)動力矩和進(jìn)退推力都較大時(shí)，使左、右波動鰭進(jìn)行差動運(yùn)動，產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動力矩和較小的進(jìn)退推力。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)動力矩較小而進(jìn)退推力較大時(shí)，使左、右波動鰭產(chǎn)生頻率不同但方向相同的行波，以產(chǎn)生較大推力的同時(shí)產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)動力矩。

表1示例性地示出了模糊規(guī)則庫。

表1：

S53：根據(jù)模糊規(guī)則庫和模糊化后的進(jìn)退方向推進(jìn)力、偏航力矩，并采用最小法得到左右鰭波動頻率、鰭面波幅值、相鄰鰭條相位差的模糊控制量。

S54：根據(jù)模糊控制量，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊運(yùn)算，得到兩側(cè)長鰭控制量。

本步驟得到的兩側(cè)長鰭控制量可以為RobCutt-II左、右波動鰭的行波參數(shù)。

下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例以確定水下航行器左側(cè)波動鰭的波動頻率為例說明模糊推理和解模糊化過程。

Sa1：根據(jù)下式計(jì)算第i條模糊規(guī)則的適用度：

其中，表示在當(dāng)前輸入為τ_u時(shí)模糊變量T_u的第j個(gè)語言值的隸屬度；表示在當(dāng)前輸入為τ_w時(shí)模糊變量T_w的第k個(gè)語言值的隸屬度；μ_i表示第i條模糊規(guī)則的適用度。

Sa2：通過模糊推理并解模糊化得到以下左側(cè)波動鰭的波動頻率：

其中，F(xiàn)_L表示模糊推理系統(tǒng)(參見圖4所示)輸出的左側(cè)鰭波動頻率的清晰值；m表示模糊規(guī)則庫中被當(dāng)前輸入(τ_u，τ_w)激活的模糊規(guī)則的數(shù)量；表示第i條模糊規(guī)則對應(yīng)于F_L的模糊輸出語言值得隸屬度函數(shù)的中心；μ_i(τ_u，τ_w)表示第i條模糊規(guī)則的適用度。

S6：根據(jù)兩側(cè)長鰭控制量對仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航控制，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤控制。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，具有以下技術(shù)效果：根據(jù)RobCutt-II當(dāng)前位置與期望路徑計(jì)算當(dāng)前RobCutt-II需要跟蹤的“視線點(diǎn)”p_los，采用視線導(dǎo)航原理模擬實(shí)際水手作業(yè)，避免水下航行器規(guī)劃獲取復(fù)雜目標(biāo)航線的難度，可以在保證精度的前提下提高了航行器的工作效率。根據(jù)RobCutt-II當(dāng)前位置、航向和“視線點(diǎn)”p_los數(shù)據(jù)利用反步法設(shè)計(jì)RobCutt-II動力學(xué)控制律τ_u，τ_r，分為運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)兩步設(shè)計(jì)控制器，簡化了控制器設(shè)計(jì)難度，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論保證路徑跟蹤誤差閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且控制器對水下環(huán)境作用引起的模型參數(shù)不確定性具有一定魯棒性?；谀：评斫恿W(xué)控制量和RobCutt-II波動鰭控制參數(shù)之間的關(guān)系，使得路徑跟蹤控制方法能實(shí)際應(yīng)用到仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的運(yùn)動控制當(dāng)中。

下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行驗(yàn)證。

為驗(yàn)證有效性，例如，可在5m×4m×1.1m的室內(nèi)水池進(jìn)行路徑跟蹤驗(yàn)證。安裝在水池頂部的全局視覺跟蹤系統(tǒng)通過USB連接到控制臺，通過處理RobCutt-II和它周圍環(huán)境的圖像，控制臺能實(shí)時(shí)計(jì)算出RobCutt-II當(dāng)前的位置和航向，并基于UDP協(xié)議通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給RobCutt-II內(nèi)部控制器作為位姿反饋。圖5-圖7給出了RobCutt-II跟蹤直線跡的驗(yàn)證結(jié)果。其中，圖5示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器在不同時(shí)間直線路徑跟蹤示意圖。圖6示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器直線路徑跟蹤軌跡示意圖。圖7示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器直線路徑跟蹤誤差曲線示意圖。從中可以看出本發(fā)明實(shí)施例能夠使RobCutt-II較快地運(yùn)動到期望路徑上，之后沿著期望路徑運(yùn)動，并且，使得帶航向補(bǔ)償?shù)目刂破鞲櫿`差小于不帶航向補(bǔ)償?shù)目刂破鳌?/p>

圖8-圖10給出了RobCutt-II跟蹤圓軌跡的驗(yàn)證結(jié)果。圖8示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器在不同時(shí)間圓路徑跟蹤示意圖。圖9示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器圓路徑跟蹤軌跡示意圖。圖10示例性地示出了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器圓路徑跟蹤誤差曲線示意圖。

從圖5-10中可以看出兩種方法都能控制RobCutt-II到達(dá)并沿著期望路徑運(yùn)動，但基于反步法的控制器能更快地控制RobCutt-II到達(dá)期望路徑，并且具有更小的跟蹤誤差。

本發(fā)明實(shí)施例通過采用上述技術(shù)方案，能顯著提高仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器水下運(yùn)動控制精度，提高了路徑跟蹤的精度，縮短了仿生波動鰭推進(jìn)水下航行器的冗余航程，具有更加穩(wěn)定的控制能力，為其進(jìn)行水下運(yùn)動與作業(yè)的高效完成提供了保障。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖所示的優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明的技術(shù)方案，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是，本發(fā)明的保護(hù)范圍顯然不局限于這些具體實(shí)施方式。在不偏離本發(fā)明的原理的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對相關(guān)技術(shù)特征作出等同的更改或替換，這些更改或替換之后的技術(shù)方案都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。