一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器的制作方法

文档序号：18641122发布日期：2019-09-11 23:19阅读：442来源：国知局

本发明涉及水下航行器的运动控制领域，尤其涉及一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器。

背景技术：

水下无人航行器（uuv）技术无论在军事上、还是民用上都已经有多年的发展，其研制始于50年代，早期主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器等（如鱼雷），后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术等的突飞猛进，自主式水下航行体（auv）得到了快速发展。由于auv摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活。

水下和陆地具有很大区别，陆地上动力过程简单，一般影响动力因素就是风阻力，但是在陆地有自身的重力，所以在陆地动力环境对行驶影响较小，但是在海洋中水下航行器的设计基本属于零重力状态，即在水中短时间内是完全在停留在某一水层，处于悬浮状态，这个时候任何的波动都会对水下航行器的姿态产生影响，加上水下的环境复杂存在极大的不确定性，比如水团、急流、温盐跃层等都会对水下航行器的航行产生极大的影响。

技术实现要素：

克服现有技术的缺点，本发明提供一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器，使其可以在水上以及水下稳定工作。

一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器，具有一个整体呈对称h形状的外壳，航行器包括右侧姿态调节单元、左侧姿态调节单元、右侧推进单元、左侧推进单元、运动控制单元；

所述右侧姿态调节单元的前后分别设有右前螺旋桨、右后螺旋桨，所述右侧姿态调节单元的内部设有包括电调、无刷直流电机，为螺旋桨提供动力；

所述左侧姿态调节单元的前后分别设有左前螺旋桨、左后螺旋桨，所述左侧姿态调节单元的内部设有包括电调、无刷直流电机，为螺旋桨提供动力；

所述的右侧推进单元、左侧推进单元分别设有螺旋桨；

所述运动控制单元包括微处理器、惯性导航模块、压力调节模块、储水舱；所述微处理器控制压力调节模块改变储水舱内的水量以实现航行器的上浮下潜；所述运动控制单元进行导航和姿态控制。

所述惯性导航模块与微处理器相连，采集航行器的运动姿态参数，所述的运动姿态参数包括：航向角、俯仰角、横滚角，三维角速度及角加速度。

所述的运动控制单元通过多变量模糊控制算法进行姿态控制，

所述多变量模糊控制算法具体流程为：

step1确定输入输出量

将航行器的运动姿态偏差e=[gyr_xgyr_ygyr_z]作为输入量；

其中：

gyr_x表示航行器绕x轴旋转时的角速度；

gyr_y表示航行器绕y轴旋转时的角速度；

gyr_z表示航行器绕z轴旋转时的角速度；

航行器的无刷直流电机的转速u=[out_1out_2out_3out_4out_8out_9]；

其中：

out_1表示航行器右前螺旋桨的转速；

out_2表示航行器右后螺旋桨的转速；

out_3表示航行器左后螺旋桨的转速；

out_4表示航行器左前螺旋桨的转速；

out_8表示右侧推进单元的螺旋桨的转速；

out_9表示左侧推进单元的螺旋桨的转速；

step2选择输入输出模糊集

选取航行器姿态角偏差和角速度偏差作为输入，u为模糊推理部分的输出，语言变量分别为e、u；设定其论域为e：[-0.1，0.1]；u:[-10,10]；

u：[-10，10]，选取“负大（-l）”、“负中（-m)”、“负小（-s）”、”零(ze)”、“正小（+s）”、“正中（+m）“、“正大（+l）”描述系统变量，得到系统子集为{-l,-m,-s,ze,+s,+m,+l}；

step3定义输入输出隶属度函数

变量隶属函数选取为：左边梯形隶属函数，中间三角形隶属函数，右边梯形隶属函数的组合形式；确定隶属函数的模糊子集后，利用matlab工具得到输入参数航行器的运动姿态e的隶属函数和输出参数航行器的无刷直流电机的转速u的隶属函数；

step4建立模糊控制规则

对于gyr_x，

若当前姿态角偏差大于0时，则左侧电机转速大于右侧电机转速，偏差越大，左右两侧电机转速差值越大；

若当前姿态角偏差小于0时，则左侧电机转速小于右侧电机转速，偏差越大，左右两侧电机转速差越大；

若当前姿态角偏差等于于0时，则两侧电机转速保持统一数值；

当输入为gyr_y或gyr_z时同理处理；

1)若e负大，则u负大；

2)若e负中，则u负中；

3)若e负小，则u负小；

4)若e为0，则u为0；

5)若e正小，则u正小；

6)若e正中，则u正中；

7)若e正大，则u正大；

step5模糊决策

最终将需要获得的控制量u即为模糊控制器的输出，u可由偏差矩阵e和模糊关系矩阵r合成的得到；

step6控制量反模糊化

通过加权平均法将控制量u进行反模糊化。

本发明具有以下有益效果：

1.采用”h”式可下潜结构，具有阻力小、抗横波型强、使用范围广的特点；

2.采用六路螺旋桨控制航行器在三维空间内的运动，即利用竖直方向4个螺旋桨和水平方向的两个螺旋桨同时工作来控制整体在水中的运动姿态，具有鲁棒性好，稳定性较强的特点；

3.采用了基于多元变量模糊控制算法，可将复杂的三维运动控制进行简化，可操作性强。

附图说明

图1是一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器的外观结构示意图；

图2是一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器的运动控制算法框图；

图3是一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器的姿态角示意图；

图4是一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器的螺旋桨动力示意图；

图5是模糊控制算法输入量e的隶属度函数图；

图6是模糊控制算法输出量u的隶属度函数图；

图1中，右前螺旋桨1、右后螺旋桨2、左后螺旋桨3、左前螺旋桨4、外壳5、右侧姿态调节单元6、左侧姿态调节单元7、右侧推进单元8、左侧推进单元9。

具体实施方式

如图1所示，一种基于模糊控制算法的六螺旋桨可下潜式航行器，具有一个整体呈对称h形状的外壳5，航行器包括右侧姿态调节单元6、左侧姿态调节单元7、右侧推进单元8、左侧推进单元9、运动控制单元，右侧推进单元8、左侧推进单元9对水流的推力方向如图4所示；所述右侧姿态调节单元6的前后分别设有右前螺旋桨1、右后螺旋桨2，所述右侧姿态调节单元6的内部设有包括电调、无刷直流电机，为螺旋桨提供动力；当螺旋桨转动时，右前螺旋桨1、右后螺旋桨2对水流的推力方向如图4所示；

所述左侧姿态调节单元7的前后分别设有左前螺旋桨4、左后螺旋桨3，所述左侧姿态调节单元7的内部设有包括电调、无刷直流电机，为螺旋桨提供动力；螺旋桨转动时，左前螺旋桨4、左后螺旋桨3对水流的推力方向如图4所示；

所述的右侧推进单元8、左侧推进单元9分别设有螺旋桨；

所述惯性导航模块与微处理器相连，采集航行器的运动姿态参数，所述的运动姿态参数包括：航向角、俯仰角、横滚角，三维角速度及角加速度。姿态角的正方向如图3所示，惯性导航模块与微处理器相连，可采集航行器的运动姿态参数，所述航行器的运动姿态参数包括：航向角、俯仰角、横滚角，通过将三个角度的瞬时量和其初始时刻的值进行解算可获得多变量模糊控制器的输入值；

所述的运动控制单元通过多变量模糊控制算法进行姿态控制，所述多变量模糊控制算法具体流程如图2所示。

确定输入输出量

将航行器的运动姿态偏差e=[gyr_xgyr_ygyr_z]作为输入量；

其中：

gyr_x表示航行器绕x轴旋转时的角速度；

gyr_y表示航行器绕y轴旋转时的角速度；

gyr_z表示航行器绕z轴旋转时的角速度；

所述gyr_x，gyr_y，gyr_z的正方向均如图4所示；航行器的无刷直流电机的转速u=[out_1out_2out_3out_4out_8out_9]；

其中：

out_1表示航行器右前螺旋桨1的转速；

out_2表示航行器右后螺旋桨2的转速；

out_3表示航行器左后螺旋桨3的转速；

out_4表示航行器左前螺旋桨4的转速；

out_8表示右侧推进单元8的螺旋桨的转速；

out_9表示左侧推进单元9的螺旋桨的转速；

step2选择输入输出模糊集

选取航行器姿态角偏差和角速度偏差作为输入，u为模糊推理部分的输出，语言变量分别为e、u；设定其论域为e：[-0.1，0.1]；u:[-10,10]；

step3定义输入输出隶属度函数

变量隶属函数选取为：左边梯形隶属函数，中间三角形隶属函数，右边梯形隶属函数的组合形式。确定隶属函数的模糊子集后，利用matlab工具得到输入参数航行器的运动姿态e的隶属函数图（图5）和输出参数航行器的无刷直流电机的转速u的隶属函数图（图6）；

step4建立模糊决策表

航行器的运动姿态偏差e对应的模糊表决策表如表1所示；

表1

航行器的六路无刷直流电机的转速u对应的模糊决策表如表2所示；

表2

step5建立模糊控制规则