[发明专利]一种滑扑一体航行器的航向控制方法

说明书

本发明涉及一种滑扑一体航行器的航向控制方法，通过姿态传感器获取当前航向信息，计算出偏航值；根据当前航行器纵平面速度快慢，利用模糊PD控制，在航行器滑翔纵平面速度较快时，将模糊PD控制算法得到的参数转换为横滚机构转动的角度值进行航向控制，速度较慢时，如下潜上浮转换阶段，模糊PD控制算法得到的参数作为CPG振幅变量，再由CPG控制器输出扑翼控制信号，具体表现为非对称的扑翼振幅进行定航。

技术领域

本发明属于水下航行器的航向控制方法，涉及一种滑扑一体航行器的航向控制方法，具体来说涉及的是一种利用横滚机构和扑翼表现出的非对称振幅协同作用进行的滑扑航行器航向控制的方法。

背景技术

水下滑翔机是一种在海洋中作滑翔运动并在运动过程中采集观测海洋环境的新型观测平台，利用自身重力与浮力差驱动运动，实现海洋的大区域多尺度监测，适用于海洋环境观测和军事领域的探测。仿蝠鲼水下航行器在水下滑翔机原理基础上，结合滑翔机的滑翔推进和仿海洋生物蝠鲼的柔性推进，实现滑扑一体化，具有长航程和高机动的特性，可以实现广域粗维度、定点细维度的水下观测，更适应于各种复杂海域。

由于水下环境复杂，存在着不同强度、速度水流等干扰，易影响航行器不能按照设定航向行进。为了解决水下航行器执行任务时的偏航问题，传统的水下航行器多是依靠螺旋桨推进，推进速度快，但航行姿态难以灵活改变。且已有多种针对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，大多数是基于航行器建立的运动学和动力学模型进行控制算法设计。而仿蝠鲼航行器推进方式与传统的航行器不同，且至今没有比较准确的模型，故采用传统的方法实现其精确航向控制十分困难，需要设计一种新的航向控制的方法。而在公开的文献中，还未有用横滚机构和扑翼协同作用来实现仿蝠鲼航行器航向控制的例子。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种滑扑一体航行器的航向控制方法，针对滑扑一体的仿蝠鲼航行器，将定航任务根据纵向速度的大小分为两种工况进行控制方案设计，结合模糊PD控制算法对横滚机构和经CPG神经网络控制的扑翼系统进行调节，进而完成定航游动的任务。

技术方案

本发明通过调节横滚机构、扑翼的非对称振幅实现仿蝠鲼水下航行器控制的基本原理是：

以仿蝠鲼航行器下潜过程为例来进行分析说明，当仿蝠鲼航行器以一定速度下潜滑翔的时候，调节横滚机构发生偏转，此时仿蝠鲼航行器将沿着航行器的弦向发生偏转，使仿蝠鲼航行器呈现偏转状态。由于航行器机体与水平面间存在一个夹角，这时垂直于航行器表面的流体动力将产生一个使航行器绕过重心的竖直轴的偏航力矩，导致仿蝠鲼航行器航向发生变化。利用此偏航力矩就可以对仿蝠鲼航行器的航向进行矫正。

纵平面速度较慢时，通过两侧扑翼非对称动振幅的扑动，可以实现仿蝠鲼水下航行器的姿态调整。其实现方式主要是利用两侧扑翼不同的期望振幅产生不同的前向推进力，即左侧扑翼推进力Fl不等于右侧扑翼推进力Fr，从而产生前向推进合力和转弯力矩，扑翼扑动振幅更大的一侧获得较大推进力，从而航行器将会转向扑翼扑动振幅较小的或无扑动的一侧，以达控制航向的效果。

一种滑扑一体航行器的航向控制方法，其特征在于：滑扑一体航行器左侧包含2个舵机，分别命名为第一舵机1和第二舵机2，右侧命名为第三舵机3和第四舵机4；每个舵机由一个转换公式的输出控制构成一个单元；左侧第一单元1与第二单元2联系，右侧单元3与单元4联系；航向控制步骤如下：

步骤1：通过姿态传感器获取水下航行器当前航向角任务设定的目标航向角为则偏航角e：

步骤2：对偏航角求导，得到航向角偏差变化率ec：

其中t为水下航行器的姿态传感器信息更新时间；