【水下】鱼类激励水下航行器的同步游泳与编队控制附matlab代码
【水下】鱼类激励水下航行器的同步游泳与编队控制附matlab代码
TT_Matlab
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内容介绍
本文提出了一种非线性控制设计,用于稳定机器鱼模型学校中的平行和圆周运动。 鱼机器人的闭环游泳动力学由典型的 Chaplygin 雪橇代表,这是一种由内转子驱动的非完整机械系统。 鱼机器人根据连接的无向通信图交换相对状态信息,并形成耦合的非线性二阶振荡器系统。 先前关于恒速自驱动粒子集体运动的工作是我们方法的基础。 然而,与自驱动粒子不同的是,鱼机器人遵循极限循环动力学,以维持周期性拍动,以不同的速度向前运动。 平行运动和圆周运动是在平均意义上实现的。 所提出的控制律不包括代理动力学的反馈线性化。 数值模拟说明了该方法。
部分代码
clear; close all; clc;
addpath(’./brewer’);
addpath(’./cmocean_v2.0/cmocean’);
addpath(’./export_fig/’);
lastk = 200; % this many points are used to plot final limit cycle
%
parameters
m = 1.4;
l = 0.31;
d = 0.5;
b = 0.1395;
a = (m*l^2)/(b*d);
N = 8;
T = 20*120; % total simulation time
%
parallel gains
k1 = 0.5;
k2 = 2;
%
circular gains
k1c = k1;
k2c = k2;
k3c = -.3;
vref = 0*b*k1/(m*l);
omegaref = 0.2;
%
create communication topology
%
% graph used by Laplacian controllers
%
%all-to-all
%
D = eye(N,N)*(N-1);
%
A = ones(N,N);
%
for
i =1:1:N
%
A(i,i) = 0;
%
end
%
L = D-A;
%
rng(3);
%
circulant
L = zeros(N,N);
for i = 1:1:N
L(i,i) = 2;
%
aft neighbor
if ( i == 1)
L(i,end) = -1;
else
L(i,i-1) = -1;
end
%
fore neighbor
if ( i == N)
L(i,1) = -1;
else
L(i,i+1) = -1;
end
end
%
% ploting
%
plot colors
shift = 2;
%
cmap = parula(N);
%
cmap = cmocean(
’ice’
,N);
cmap = cmocean(’deep’,N+shift);
%
shift
cmap = cmap(shift:end,:);
%
% initial conditions
%
%Random heading and random angular rate
%
theta0 = rand([N 1])*2*pi;
%
omega0 = rand([N 1])*1;
%
%Random heading and zero angular rate
%
r0 = rand(N,1)*10 + rand(N,1)*10*1i;
%
v0 = 0*rand(N,1);
%
%
% theta0 = [0 45 90]
’*pi/180;
%
% omega0 = 0.1*[-1 0.5 1]’
;
%
theta0 = rand([N 1])*pi;
%
omega0 = rand(N,1)*0;
%
Equal heading and equal angular rate
%
theta0 = [ones(N,1)*0];
%
omega0 = [ones(N,1)*1]
%
Equal heading and random angular rate
%
theta0 = [ones(N,1)*0];
%
omega0 = rand([N 1])*1;
%
% Np fish anti-parallel and random angular rate
%
Np = 1;
%
theta0 = [ones([Np 1])*0; ones([N-Np 1])*pi ];
%
omega0 = rand([N 1])*1;
%
% circular initial formation
%
th_circ = [0:2*pi/(N):2*pi];
%
th_circ = th_circ(1:end-1)
’;
%
R = 5;
%
r0 = R*cos(th_circ) + R*sin(th_circ)*1i;
%
v0 = 0*rand(N,1);
%
theta0 = rand([N 1])*2*pi;
%
omega0 = 0*rand(N,1);
%
line initial formation
Linit = 5;
dely = 0;
r0 = linspace(-Linit/2,Linit/2,N)’ - 1i*dely;
v0 = 0*rand(N,1);
theta0 = rand([N 1])*2*pi;
omega0 = 0*rand(N,1);
%
% from paul’
s code
%
zfix =[ 0 0 1.3110 0 8.7639 9.5789;
%
0 0 1.7552 0 8.9461 5.3317;
%
0 0 0.4410 0 0.8504 6.9188;
%
0 0 0.6224 0 0.3905 3.1552;
%
0 0 2.5156 0 1.6983 6.8650;
%
0 0 3.0419 0 8.7814 8.3463;
%
0 0 0.9847 0 0.9835 0.1829;
%
0 0 2.1750 0 4.2111 7.5014];
%
x0 = zfix(:,5);
%
y0 = zfix(:,6);
%
r0 = x0 + 1i * y0;
%
theta0 = zfix(:,3);
%
v0 = zeros(N,1);
%
omega0 = zeros(N,1);
z0 = [r0; theta0; v0; omega0];
%
% simulation
tspan = [0:0.1:T];
%
options = odeset(
’reltol’
,1e-12,
’abstol’
,1e-12);
options = odeset(’reltol’,1e-3,’abstol’,1e-3);
[t,zhist] = ode45(@parallelSys,tspan,z0,[],m,l,b,d,k1,k2,N,L,a,vref,omegaref,k1c,k2c,k3c);
%
% plots
x_hist = real(zhist(:,1:N));
y_hist = imag(zhist(:,1:N));
th_hist = zhist(:,N+1:2*N);
v_hist = zhist(:,2*N+1:3*N);
omega_hist = zhist(:,3*N+1:4*N);
grayRGB = [1 1 1]*0.5;
figure;
hold on;
Lfish = 2;
for i = 1:1:N
plot(x_hist(:,i),y_hist(:,i),’Color’,cmap(i,:),’linewidth’,1);
end
for i = 1:1:N
[xFish,yFish] = fishCoords(x_hist(end,i), y_hist(end,i), Lfish, th_hist(end,i));
fill(xFish,yFish,cmap(i,:), ’linewidth’,1); hold on;
plot(xFish,yFish, ’k’, ’linewidth’,1); hold on;
plot(x_hist(end-lastk:end,i),y_hist(end-lastk:end,i),’m’,’Linewidth’,2);
end
plot(x_hist(1,:),y_hist(1,:),’ko’,’MarkerFaceColor’,’k’,’MarkerSize’,3)
xlabel(’X (m)’);
ylabel(’Y (m)’);
box on;
axis square;
axis equal;
axis tight;
set(gcf,’Color’,’w’)
set(gca,’FontSize’,16,’FontName’,’Arial’)
%
export_fig(
’parallel_fish_tracks.pdf’
)
%
figure;
%
for
i = 1:1:N
%
plot(t,mod(th_hist(:,i),2*pi)*180/pi,
’linewidth’
,2,
’Color’
,cmap(i,:),
’linewidth’
,2);
%
hold on;
%
end
%
ylabel(
’Heading (deg.)’
);
%
xlabel(
’Time (sec.)’
);
%
set
(gca,
’FontSize’
,16,
’FontName’
,
’Arial’
)
%
ylim([0 270]);
%
xlim([0 90]);
%
yticks([0:90:360]);
%
set
(gcf,
’Color’
,
’w’
)
%
%export_fig(
’parallel_t_vs_theta.pdf’
)
figure;
for i = 1:1:N
plot(v_hist(:,i), omega_hist(:,i)*180/pi,’Color’,cmap(i,:));
hold on;
plot(v_hist(end-lastk:end,i),omega_hist(end-lastk:end,i)*180/pi,’m’,’Linewidth’,2);
plot(v_hist(1,i),omega_hist(1,i)*180/pi,’ko’,’MarkerFaceColor’,’k’,’MarkerSize’,3)
hold on;
end
set(gca,’FontSize’,16,’FontName’,’Arial’)
set(gcf,’Color’,’w’);
xlabel(’Speed (m/s)’);
axis square;
ylabel(’Angular Rate (deg/s)’);
%
export_fig(
’parallel_v_vs_omega.pdf’
)
%
figure;
%
for
i = 1:1:N
%
plot(mod(th_hist(:,i),2*pi)*180/pi, omega_hist(:,i)*180/pi,
’Color’
,cmap(i,:));
%
hold on;
%
plot(mod(th_hist(end-lastk:end,1),2*pi)*180/pi,omega_hist(end-lastk:end,1)*180/pi,
’k’
,
’Linewidth’
,2);
%
plot(mod(th_hist(1,i),2*pi)*180/pi,omega_hist(1,i)*180/pi,
’ko’
,
’MarkerFaceColor’
,
’k’
,
’MarkerSize’
,3)
%
end
%
set
(gca,
’FontSize’
,16,
’FontName’
,
’Arial’
)
%
set
(gcf,
’Color’
,
’w’
);
%
xlabel(
’Heading (deg)’
);
%
xlim([0 360]);
%
axis square;
%
ylabel(
’Angular Rate (deg/s)’
);
%
xlim([0 360]);
%
%export_fig(
’parallel_th_vs_omega.pdf’
)
function xdot = parallelSys(t,x,m,l,b,d,k1,k2,N,L,a,vref,omegaref,k1c,k2c,k3c)
%
unpack state
r = x(1:N);
theta = x(N+1:2*N);
v = x(2*N+1:3*N);
omega = x(3*N+1:4*N);
%
% Parallel: Laplacian control
u = zeros(N,1);
couplingTerm1 = zeros(N,1);
for k = 1:1:N
Lk = L(k,:);
val1 = 1i * exp(1i * theta(k) );
val2 = Lk * exp(1i * theta );
couplingTerm1(k) = complexIP(val1,val2);
end
u_p_lap = -b*k1*omega + b*k2/N*couplingTerm1;
%
% Parallel: All-to-all control
couplingTerm2 = zeros(N,1);
for k = 1:1:N
for j = 1:1:N
couplingTerm2(k) = couplingTerm2(k) - sin( theta(j) - theta(k) );
end
end
u_p_all = -b*k1*omega + b*k2/N*couplingTerm2;
%
% Circular: Laplacian
couplingTerm_c_lap = zeros(N,1);
coefficient = ( (l/d)*omega - vref/omegaref);
c = r + vref/omegaref*1i*exp(1i*theta);
for k = 1:1:N
Lk = L(k,:);
val1 = exp(1i * theta(k) );
val2 = Lk * c; %exp(1i * c);
couplingTerm_c_lap(k) = complexIP(val1,val2);
end
u_c_lap = -b*k1c*omega - b*k2c*sin(theta - omegaref*t) ...
- b*k3c*coefficient.*couplingTerm_c_lap;
%
figure(10);
%
plot(real(r),imag(r),
’bo’
); hold on;
%
plot(real(c),imag(c),
’r+’
);
%
hold on;
%
% switch control from parallel/circular etc. here
u = u_c_lap; % circular, laplacian
%
u = u_p_lap; % parallel laplacian
%
u = u_p_all; % prallel all-to-all
%
% dynamics
%
omegadot = -a*omega.^3 + -u/b; % simplified model
omegadot = -m*l/b*v.*omega + -u/b; % actual model
%
state rate
xdot(1:N,1) = v.*exp(1i*theta);% r-dot trailing edge
%
xdot(1:N,1) = v.*exp(1i*theta) + l*omega.*1i.*exp(1i*theta);% r-dot
for
CM
xdot(N+1:2*N,1) = omega;%th-dot
xdot(2*N+1:3*N,1) = l*omega.^2 - d*v;%v-dot
xdot(3*N+1:4*N,1) = omegadot;
end
⛳️ 运行结果
参考文献
P. Ghanem, A. Wolek and D. A. Paleyv, "Planar Formation Control of a School of Robotic Fish," 2020 American Control Conference (ACC), Denver, CO, USA, 2020, pp. 1653-1658, doi: 10.23919/ACC45564.2020.9147969.
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1 各类智能优化算法改进及应用
生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化
2 机器学习和深度学习方面
卷积神经网络(CNN)、LSTM、支持向量机(SVM)、最小二乘支持向量机(LSSVM)、极限学习机(ELM)、核极限学习机(KELM)、BP、RBF、宽度学习、DBN、RF、RBF、DELM、XGBOOST、TCN实现风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断
2.图像处理方面
图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知
3 路径规划方面
旅行商问题(TSP)、车辆路径问题(VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等)、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、车辆协同无人机路径规划、天线线性阵列分布优化、车间布局优化
4 无人机应用方面
无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化
5 无线传感器定位及布局方面
传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化
6 信号处理方面
信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化
7 电力系统方面
微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置
8 元胞自动机方面
交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长
9 雷达方面
卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合
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