兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 3216-3229.doi: 10.12382/bgxb.2023.0575
收稿日期:
2023-06-12
上线日期:
2023-09-18
通讯作者:
基金资助:
Received:
2023-06-12
Online:
2023-09-18
摘要:
针对混合驱动水下机器人在进行水下浮游和爬行双模式作业时的轨迹跟踪控制问题,结合混合驱动水下机器人在浮游模式和爬行模式下的不同运动学特性,分别设计了一种基于改进灰狼优化模型预测控制算法的控制器,以实现机器人在浮游模式下的轨迹跟踪,以及一种基于模糊滑模控制算法的控制器,以实现机器人在爬行模式下的轨迹跟踪。仿真结果表明:所设计的改进灰狼优化模型预测控制器通过引入改进灰狼优化算法求解模型预测控制器滚动优化阶段中的目标函数,使得浮游模式的水下机器人能够快速、精确和稳定地跟踪预设轨迹;所设计的模糊滑模控制器采用模糊控制对滑模控制器中趋近律参数进行在线调整,使得爬行模式下的水下机器人能够实现有限时间收敛的同时并抑制抖振问题。
中图分类号:
陈琦, 覃国样. 混合驱动水下机器人浮游与爬行双模式轨迹跟踪控制[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3216-3229.
CHEN Qi, QIN Guoyang. Trajectory Tracking Control for Hybrid-driven Unmanned Underwater Vehicles with Free-flying and Crawling Dual-mode[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(9): 3216-3229.
S | NB | NM | NS | ZE | PS | PM | PB |
---|---|---|---|---|---|---|---|
K | PB | PM | PS | ZE | NS | NM | NB |
L | PB | PB | PS | PM | PS | PS | PS |
表1 模糊控制规则
Table 1 Fuzzy control rule
S | NB | NM | NS | ZE | PS | PM | PB |
---|---|---|---|---|---|---|---|
K | PB | PM | PS | ZE | NS | NM | NB |
L | PB | PB | PS | PM | PS | PS | PS |
函数 | 表达式 | 维度 | 取值范围 | 最小值 |
---|---|---|---|---|
F1 | F(x)= | 30 | [-100,100] | 0 |
F2 | F(x)= {|xi|,1≤i≤D} | 30 | [-100,100] | 0 |
F3 | F(x)= [ -10cos (2πxi)+10] | 30 | [-5.12,5.12] | 0 |
F4 | $F(x)=-20 \exp \left(-0.2 \sqrt{\frac{1}{D} \sum_{i=1}^{D} x_{i}^{2}}\right)-\exp \left(\frac{1}{D} \sum_{i=1}^{D} \cos \left(2 \pi x_{i}\right)\right)+20+e$ | 30 | [-32,32] | 0 |
表2 标准测试函数
Table 2 Standard test function
函数 | 表达式 | 维度 | 取值范围 | 最小值 |
---|---|---|---|---|
F1 | F(x)= | 30 | [-100,100] | 0 |
F2 | F(x)= {|xi|,1≤i≤D} | 30 | [-100,100] | 0 |
F3 | F(x)= [ -10cos (2πxi)+10] | 30 | [-5.12,5.12] | 0 |
F4 | $F(x)=-20 \exp \left(-0.2 \sqrt{\frac{1}{D} \sum_{i=1}^{D} x_{i}^{2}}\right)-\exp \left(\frac{1}{D} \sum_{i=1}^{D} \cos \left(2 \pi x_{i}\right)\right)+20+e$ | 30 | [-32,32] | 0 |
函数 | GWO | EGWO1 | EGWO2 | IGWO | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 标准差 | 平均值 | 标准差 | 平均值 | 标准差 | 平均值 | 标准差 | |
F1 | 9.8207×10-19 | 8.7469×10-19 | 1.5871×10-23 | 8.1979×10-24 | 1.0664×10-29 | 2.1005×10-29 | 8.1052×10-36 | 2.5631×10-35 |
F2 | 4.1946×10-05 | 2.0654×10-05 | 8.2416×10-07 | 3.9997×10-07 | 1.0228×10-08 | 7.8674×10-09 | 1.1079×10-11 | 3.4305×10-11 |
F3 | 6.5767 | 5.9961 | 1.3252 | 2.8940 | 1.1637 | 2.6976 | 0 | 0 |
F4 | 1.5696×10-10 | 6.4676×10-11 | 1.0671×10-12 | 8.2545×10-13 | 3.0376×10-14 | 2.3979×10-15 | 8.8800×10-16 | 0 |
表3 算法优化对比结果
Table 3 Comparison of optimizated results of different algorithms
函数 | GWO | EGWO1 | EGWO2 | IGWO | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 标准差 | 平均值 | 标准差 | 平均值 | 标准差 | 平均值 | 标准差 | |
F1 | 9.8207×10-19 | 8.7469×10-19 | 1.5871×10-23 | 8.1979×10-24 | 1.0664×10-29 | 2.1005×10-29 | 8.1052×10-36 | 2.5631×10-35 |
F2 | 4.1946×10-05 | 2.0654×10-05 | 8.2416×10-07 | 3.9997×10-07 | 1.0228×10-08 | 7.8674×10-09 | 1.1079×10-11 | 3.4305×10-11 |
F3 | 6.5767 | 5.9961 | 1.3252 | 2.8940 | 1.1637 | 2.6976 | 0 | 0 |
F4 | 1.5696×10-10 | 6.4676×10-11 | 1.0671×10-12 | 8.2545×10-13 | 3.0376×10-14 | 2.3979×10-15 | 8.8800×10-16 | 0 |
控制器 | x平均 误差/m | y平均 误差/m | z平均 误差/m | 平均 值/m | 方差/ m |
---|---|---|---|---|---|
MPC | 0.5497 | 0.6211 | 0.2169 | 0.4626 | 0.0466 |
GWO-MPC | 0.3175 | 0.3960 | 0.1781 | 0.2972 | 0.0122 |
EGWO1-MPC | 0.3306 | 0.4003 | 0.1810 | 0.2988 | 0.0122 |
EGWO2-MPC | 0.3177 | 0.4240 | 0.1982 | 0.3133 | 0.0128 |
IGWO-MPC | 0.3007 | 0.3280 | 0.1463 | 0.2583 | 0.0096 |
表4 不同控制器轨迹跟踪结果
Table 4 Trajectory tracking results of different controllers
控制器 | x平均 误差/m | y平均 误差/m | z平均 误差/m | 平均 值/m | 方差/ m |
---|---|---|---|---|---|
MPC | 0.5497 | 0.6211 | 0.2169 | 0.4626 | 0.0466 |
GWO-MPC | 0.3175 | 0.3960 | 0.1781 | 0.2972 | 0.0122 |
EGWO1-MPC | 0.3306 | 0.4003 | 0.1810 | 0.2988 | 0.0122 |
EGWO2-MPC | 0.3177 | 0.4240 | 0.1982 | 0.3133 | 0.0128 |
IGWO-MPC | 0.3007 | 0.3280 | 0.1463 | 0.2583 | 0.0096 |
控制器 | xm稳态误差/m | ym稳态误差/m | 平均稳态 误差/m | 方差/m | xm收敛 时间/s | ym收敛 时间/s | θm收敛 时间/s | 平均收敛 时间/s |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SMC | 0.0361 | 0.0042 | 0.0403 | 5.0881×10-4 | 4.9 | 4.8 | 0 | 3.2 |
TSMC | 2.3196×10-15 | 1.5625×10-16 | 1.9411×10-16 | 2.3400×10-30 | 1.7 | 1.5 | 1.8 | 1.7 |
BSMC | 6.3116×10-04 | 2.2597×10-04 | 4.2857×10-04 | 8.2089×10-08 | 4.8 | 2.3 | 4.7 | 3.9 |
FSMC | 4.1125×10-19 | 4.2774×10-19 | 4.1950×10-19 | 1.3596×10-40 | 0.8 | 0.9 | 1.1 | 0.9 |
表5 不同控制器轨迹跟踪效果
Table 5 Trajectory tracking results of different controllers
控制器 | xm稳态误差/m | ym稳态误差/m | 平均稳态 误差/m | 方差/m | xm收敛 时间/s | ym收敛 时间/s | θm收敛 时间/s | 平均收敛 时间/s |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SMC | 0.0361 | 0.0042 | 0.0403 | 5.0881×10-4 | 4.9 | 4.8 | 0 | 3.2 |
TSMC | 2.3196×10-15 | 1.5625×10-16 | 1.9411×10-16 | 2.3400×10-30 | 1.7 | 1.5 | 1.8 | 1.7 |
BSMC | 6.3116×10-04 | 2.2597×10-04 | 4.2857×10-04 | 8.2089×10-08 | 4.8 | 2.3 | 4.7 | 3.9 |
FSMC | 4.1125×10-19 | 4.2774×10-19 | 4.1950×10-19 | 1.3596×10-40 | 0.8 | 0.9 | 1.1 | 0.9 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2020.05.014 |
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