[发明专利]仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。该方法包括：采集仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；根据仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与期望跟踪路径，计算仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、航向和视线点，利用反步法设计仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；根据两侧长鳍控制量对仿生波动鳍推进水下航行器进行实时导航控制。由此本发明实施例解决了如何使仿生波动鳍推进水下航行器精确地实现水下路径跟踪的技术问题。

技术领域

本发明涉及仿生学技术领域，尤其是涉及一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。

背景技术

目前，自主水下航行器已被广泛应用在海洋和军事等领域，例如海洋生物观察、水下资源勘探、海上军事打击等。随着对水下航行器机动性、稳定性、抗干扰能力、噪声等方面的要求越来越高，采用波动鳍推进的仿生水下航行器逐渐受到研究人员和工程师的关注。

近十年来,研究人员设计了多种波动鳍推进水下航行器。早在2001年，英国赫瑞瓦特大学设计了一种长鳍驱动装置。2012年,南洋理工大学研制了一种仿生机器蝠鲼。2013年,西北大学模仿长刀鱼研制了一种仿生长鳍驱动机器鱼。但以上大多数研究人员侧重于波动鳍的控制，较少考虑水下航行器精确的运动控制，而这往往对于仿生水下航行器的实际应用十分重要。造成上述缺陷的主要原因可能是波动鳍推进水下航行器是一个多变量、非线性、强耦合的欠驱动系统，难以建立精确系统模型，较难实现精确的闭环位置控制。

路径跟踪控制的目标是使航行器沿事先规划的空间轨迹运动。对于水下航行器的路径跟踪问题,国内外学者也开展了一些研究工作。例如Aguiar等采用李雅普诺夫直接法和反步设计法设计了一种非线性自适应路径点跟踪控制器，仿真结果表明该控制器能控制欠驱动水下航行器沿由指定路径点组成的路径运动。王宏建等针对欠驱动水下航行器的直线路径跟踪控制问题，基于虚拟向导建立了路径跟踪误差模型，采用反馈增益反步法设计路径跟踪控制器。张国庆等运用反步法针对欠驱动舰船路径跟踪问题设计了一个精简自适应神经网络控制框架，并进行了数值仿真证明该框架的有效性。尽管上诉文献在路径跟踪控制上都取得了较为理想的结果，但大多数方法依赖精确的数学模型，然而水下航行器，尤其是波动鳍推进水下航行器的精确数学模型在实际中往往难以获得，这就造成控制器对模型参数不确定性及外部扰动适应能力不足，从而跟踪精度不高，并且较少有研究人员将提出的路径跟踪控制方法应用的到实际的系统中，主要原因可能是水下环境的不确定性及复杂性。需要指出的是，仿生波动鳍推进水下航行器与传统的依靠螺旋桨驱动的水下航行器的驱动模式存在很大的区别，需要针对其专门设计路径跟踪方法。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何使仿生波动鳍推进水下航行器精确地实现水下路径跟踪的技术问题，提供一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法。

为了实现上述目的，提供以下技术方案：

一种仿生波动鳍推进水下航行器路径跟踪控制方法，该方法包括：

确定期望跟踪路径；

采集仿生波动鳍推进水下航行器实时的位置和航向；

根据仿生波动鳍推进水下航行器的当前位置与期望跟踪路径，计算仿生波动鳍推进水下航行器当前需要跟踪的视线点以及期望航向角；

根据仿生波动鳍推进水下航行器当前位置、航向和视线点，利用反步法设计仿生波动鳍推进水下航行器的动力学控制律；

基于模糊推理建立动力学控制量和仿生波动鳍推进水下航行器波动鳍控制参数之间的映射关系，得到两侧长鳍控制量；