CN109062236B - 波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法 - Google Patents

波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，属于海洋航行器运动控制技术领域。本发明利用波浪滑翔器的实际航行数据实时规划潜体期望艏向，通过对潜体的艏向控制间接实现波浪滑翔器的浮体艏向控制，克服了浮体艏向响应滞后导致的控制系统不稳定的问题，并且能够消除环境干扰带来的稳态误差，有效提高波浪滑翔器的浮体艏向控制的能力。本发明结构简单，易于实现，且不依赖于精确的数学模型，在不确定性外界环境干扰下具有较强的自适应性。

Description

波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法
技术领域
本发明属于海洋航行器运动控制技术领域，具体涉及波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法。
背景技术
波浪滑翔器是一种新型无人海洋探测平台，利用“浮体-脐带-潜体”刚柔混合多体结构将海洋波浪能直接地转化为自身的前进动力，同时依靠上甲板搭载的太阳能电池板为各电气负载供电，可以在广阔的海洋上进行长期自主的航行，还可充当通信中继与其他类型的探测平台进行指令和数据交换，为海洋观测技术提供了新思路，有着十分广阔的发展前景。
波浪滑翔器的转向系统，即舵机与舵板，安装于潜体，只能够直接控制潜体的艏向，航行过程中潜体拖曳脐带进而拖曳浮体，该拖曳力作用下浮体发生转艏，因此浮体的转艏响应存在滞后，使得浮体艏向控制易于出现震荡，难以稳定。如果直接将潜体期望艏向取为浮体期望艏向，那么在环境干扰下浮体艏向控制可能存在稳态误差。应用于时滞系统的经典控制方法，如大林算法，smith方法等需依赖于精确的数学模型，这使得其在实际应用中受到限制，且不具有自适应性。
一些学者提出的关于波浪滑翔器的控制方法，如Karus在学位论文《Wave gliderdynamic modeling,parameter identification and simulation》中采用的PID控制方法，廖煜雷在《Heading control method and experiments for an unmanned wave glider》中采用的改进S面控制方法等均为针对单体海洋航行器的控制方法的简单改进，而由于波浪滑翔器独特的多体系联结构和独特的动力学特性，采用上述方法其控制效果难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服了浮体艏向响应滞后导致的控制系统不稳定的问题，并且能够消除环境干扰带来的稳态误差的波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
波浪滑翔器的舵机安装于潜体，舵机由主计算机控制，可直接控制潜体的转向，浮体的转艏力矩来源于脐带的张力，浮体与潜体分别安装一个艏向传感器，安装于浮体的艏向传感器和安装于潜体的艏向传感器分别测量浮体的艏向ψF和潜体的艏向ψG。
一种波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，其步骤包括：
1、一种波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，适用于波浪滑翔器，其步骤的特征是：
(1)设置滑动时间窗口长度L；
所述滑动时间窗口长度L根据经验设置。滑动时间窗口越大，则波浪滑翔器的浮体艏向控制越稳定，但消除稳态误差所需调整时间越长；滑动时间窗口越大，则消除稳态误差所需调整时间越短，但波浪滑翔器的浮体艏向响应易于出现震荡。滑动时间窗口的选取需权衡控制系统稳定性与调整时间的要求，例如可取为30秒。
(2)设置动态数据存储队列，其存储空间的大小与所设置的滑动时间窗口大小对应，数据结构采用队列形式，其中的元素初始化为0；
所述的动态数据存储队列，其存储空间大小为存储所设置的滑动时间窗口内的波浪滑翔器的浮体和潜体的艏向数据所需的存储空间。例如，若滑动时间窗口L＝30s，波浪滑翔器控制系统运行步长为0.1s，则所述存储空间的大小为存储300组波浪滑翔器的浮体与潜体艏向数据所需的存储空间。
所述的数据结构采用队列形式，指的是数据只能由队列的后端插入，前端删除。
(3)判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段，若为快速调整阶段，则进入步骤(4)；若为稳态调整阶段，则进入步骤(5)；
所述判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段的方法是：计算潜体实际艏向ψG(k)与潜体期望艏向ψGd(k)误差eG(k)＝ψGd(k)-ψG(k)，若误差绝对值|eG(k)|大于设定的潜体艏向误差阈值
Figure BDA0001786081400000021
则为快速调整阶段；反之，则为稳态调整阶段。其中k为离散控制系统的运行时刻；
Figure BDA0001786081400000022
所述潜体艏向误差阈值
Figure BDA0001786081400000023
为一正数，根据经验设置。如果潜体艏向误差阈值较大，则浮体艏向控制中克服稳态干扰的能力较强，但在阶跃控制信号时会出现一定的超调；潜体艏向误差阈值较小，则浮体艏向控制中克服稳态干扰的能力较弱，但在阶跃控制信号时的超调较小。
(4)在所述的动态数据存储队列的后端插入一个“0”元素，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(5)在所述的动态数据存储队列的后端插入当前时刻的浮体与潜体的艏向差，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(6)计算所述的动态数据存储队列中所有元素的平均值，作为潜体艏向偏移；
(7)规划潜体期望艏向ψGd(k)，即令潜体期望艏向为浮体期望艏向ψFd(k)与步骤(6)中得到的潜体艏向偏移
Figure BDA0001786081400000024
的差，即
Figure BDA0001786081400000025
其中所述浮体期望艏向ψFd(k)为已知的控制目标。
(8)计算潜体期望艏向ψGd(k)与浮体艏向ψF(k)的夹角的绝对值ψFG，将其限制在预先设定的阈值ψFGmax内。该步骤的目的在于避免浮体与潜体的艏向夹角过大，削弱浮体转艏力矩，甚至出现柔链缠绕现象。
潜体期望艏向与浮体艏向的夹角ψFG＝ψGd(k)-ψF(k)，预先设置好潜体期望艏向与浮体艏向夹角阈值ψFGmax，则
Figure BDA0001786081400000031
其中，夹角阈值ψFGmax的选取根据经验选取，一般不大于90度，例如可取为45度。
(9)进行潜体艏向控制，主计算机向舵机发出舵角指令δd，舵机驱动舵板转动；
潜体艏向控制可采用多种控制方法，如PID，模糊PID，S面控制方法等。本发明以PID控制方法为例介绍所述潜体艏向控制的过程，但不限于该方法。PID控制方法如下：
Figure BDA0001786081400000032
其中，e(k)＝ψGd(k)-ψG(k)为当前时刻的潜体艏向偏差；kp，ki，kd为比例、积分、微分项系数，在实际应用时需根据经验调节；T为控制系统的步长；δd(k)为舵角。.
(10)计算波浪滑翔器浮体实际艏向与浮体期望艏向误差绝对值eF(k)＝ψFd(k)-ψF(k)，如果|e(k)|小于设定的阈值e0并保持一定时间，认为波浪滑翔器浮体艏向控制系统实际输出稳定收敛到期望输出，跳出循环，返回步骤(3)；
本发明的有益效果在于：
本发明提供的波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，利用实际航行数据实时规划潜体期望艏向，通过对潜体的艏向控制间接实现波浪滑翔器的浮体艏向控制，克服了浮体艏向响应滞后导致的控制系统不稳定的问题，有效提高波浪滑翔器的浮体艏向控制的能力；
本发明中潜体艏向偏移根据波浪滑翔器实际航行数据实时迭代修正，不依赖与精确的数学模型，在不确定性外界环境干扰下，该方法能够消除环境干扰带来的稳态误差，使得波浪滑翔器浮体艏向逼近期望值，具有较强的自适应性；
本发明中设置滑动时间窗口与求队列数据平均值的过程能够有效抑制浮体与潜体的艏向传感器的均值为0的噪声对控制系统的不利影响；
本发明结构简单，在实际应用中易于实现，参数数量较少，各参数物理意义清晰，在实际控制系统中参数易于调节。
附图说明
图1为波浪滑翔器示意图；
图2为波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法坐标系示意图；
图3为波浪滑翔器控制系统结构图；
图4为波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例一：
波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，包括以下步骤：
(1)设置滑动时间窗口长度；
(2)设置动态数据存储队列，其存储空间的大小与所设置的滑动时间窗口大小对应，数据结构采用队列形式，其中的元素初始化为0；
(3)判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段，若为快速调整阶段，则进入步骤(4)；若为稳态调整阶段，则进入步骤(5)；
(4)在所述的动态数据存储队列的后端插入一个“0”元素，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(5)在所述的动态数据存储队列的后端插入当前时刻的浮体与潜体的艏向差，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(6)计算所述的动态数据存储队列中所有元素的平均值，作为潜体艏向偏移；
(7)规划潜体期望艏向，即令潜体期望艏向为浮体期望艏向与步骤(6)中得到的潜体艏向偏移的差，其中所述浮体期望艏向为已知的控制目标；
(8)计算潜体期望艏向与浮体艏向的夹角的绝对值，将其限制在预先设定的阈值内；
(9)进行潜体艏向控制，主计算机向舵机发出舵角指令，舵机驱动舵板转动；
(10)计算波浪滑翔器浮体实际艏向与浮体期望艏向误差绝对值，如果小于设定的阈值并保持一定时间，认为波浪滑翔器浮体艏向控制系统实际输出稳定收敛到期望输出，跳出循环，返回步骤(3)。
所述的波浪滑翔器的浮体与潜体分别安装一个艏向传感器，安装于浮体的艏向传感器和安装于潜体的艏向传感器分别测量浮体的艏向和潜体的艏向。
所述的步骤(3)中判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段的判断方法为，若潜体实际艏向与潜体期望艏向误差绝对值大于设定的潜体艏向误差阈值，则为快速调整阶段；反之，则为稳态调整阶段。
实施例二：
结合图1说明波浪滑翔器及其硬件结构。波浪滑翔器由浮体1、潜体2和脐带3构成，浮体1与潜体2通过脐带3连接。波浪滑翔器的舵机4安装于潜体2，通过舵板5的舵力，可直接控制潜体2的转向，浮体1的转艏力矩来源于脐带3的张力，浮体1与潜体2分别安装一个艏向传感器，安装于浮体的艏向传感器6和安装于潜体的艏向传感器7分别测量浮体艏向ψF和潜体艏向ψG。
结合图2说明坐标系的建立。只考虑波浪滑翔器在水平面的运动，建立水平面大地坐标系ξ-E-ζ。一般地，Eξ向北为正，Eζ向东为正。波浪滑翔器浮体与潜体由柔软的脐带连接，脐带无法直接传递扭矩，因此波浪滑翔器浮体和潜体的艏向一般情况下并不一致，如图2所示，ψF为浮体的艏向，ψG为潜体的艏向。图2中ψFd为制导系统给出的浮体期望艏向，δ为舵角。
结合图3说明波浪滑翔器的控制系统结构。制导模块给出浮体期望艏向角ψFd。结合传感器系统测量的浮体与潜体艏向ψF与ψG，潜体期望艏向规划模块计算潜体艏向偏移，输出潜体期望艏向ψGd，潜体艏向控制模块进行潜体的艏向控制，并向舵系统发出舵角命令，舵机驱动舵板转动。波浪滑翔器在海洋环境中航行，传感器监测波浪滑翔器运动状态，反馈至波浪滑翔器控制系统。
结合图4说明波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法的流程：
(1)设置滑动时间窗口长度L；
所述滑动时间窗口长度L根据经验设置。滑动时间窗口越大，则波浪滑翔器的浮体艏向控制越稳定，但消除稳态误差所需调整时间越长；滑动时间窗口越大，则消除稳态误差所需调整时间越短，但波浪滑翔器的浮体艏向响应易于出现震荡。滑动时间窗口的选取需权衡控制系统稳定性与调整时间的要求，例如可取为30秒。
(2)设置动态数据存储队列，其存储空间的大小与所设置的滑动时间窗口大小对应，数据结构采用队列形式，其中的元素初始化为0；
所述的动态数据存储队列，其存储空间大小为存储所设置的滑动时间窗口内的波浪滑翔器的浮体和潜体的艏向数据所需的存储空间。例如，若滑动时间窗口L＝30s，波浪滑翔器控制系统运行步长为0.1s，则所述存储空间的大小为存储300组波浪滑翔器的浮体与潜体艏向数据所需的存储空间。
所述的数据结构采用队列形式，指的是数据只能由队列的后端插入，前端删除。
(3)判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段，若为快速调整阶段，则进入步骤(4)；若为稳态调整阶段，则进入步骤(5)；
所述判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段的方法是：计算潜体实际艏向ψG(k)与潜体期望艏向ψGd(k)误差eG(k)＝ψGd(k)-ψG(k)，若误差绝对值|eG(k)|大于设定的潜体艏向误差阈值
Figure BDA0001786081400000061
则为快速调整阶段；反之，则为稳态调整阶段。其中k为离散控制系统的运行时刻；
Figure BDA0001786081400000062
所述潜体艏向误差阈值
Figure BDA0001786081400000063
为一正数，根据经验设置。如果潜体艏向误差阈值较大，则浮体艏向控制中克服稳态干扰的能力较强，但在阶跃控制信号时会出现一定的超调；潜体艏向误差阈值较小，则浮体艏向控制中克服稳态干扰的能力较弱，但在阶跃控制信号时的超调较小。
(4)在所述的动态数据存储队列的后端插入一个“0”元素，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(5)在所述的动态数据存储队列的后端插入当前时刻的浮体与潜体的艏向差，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(6)计算所述的动态数据存储队列中所有元素的平均值，作为潜体艏向偏移；
(7)规划潜体期望艏向ψGd(k)，即令潜体期望艏向为浮体期望艏向ψFd(k)与步骤(6)中得到的潜体艏向偏移
Figure BDA0001786081400000064
的差，即
Figure BDA0001786081400000065
其中所述浮体期望艏向ψFd(k)为已知的控制目标。
(8)计算潜体期望艏向ψGd(k)与浮体艏向ψF(k)的夹角的绝对值ψFG，将其限制在预先设定的阈值ψFGmax内。该步骤的目的在于避免浮体与潜体的艏向夹角过大，削弱浮体转艏力矩，甚至出现柔链缠绕现象。
潜体期望艏向与浮体艏向的夹角ψFG＝ψGd(k)-ψF(k)，预先设置好潜体期望艏向与浮体艏向夹角阈值ψFGmax，则
Figure BDA0001786081400000066
其中，夹角阈值ψFGmax的选取根据经验选取，一般不大于90度，例如可取为45度。
(9)进行潜体艏向控制，主计算机向舵机发出舵角指令δd，舵机驱动舵板转动；
潜体艏向控制可采用多种控制方法，如PID，模糊PID，S面控制方法等。本发明以PID控制方法为例介绍所述潜体艏向控制的过程，但不限于该方法。PID控制方法如下：
Figure BDA0001786081400000067
其中，e(k)＝ψGd(k)-ψG(k)为当前时刻的潜体艏向偏差；kp，ki，kd为比例、积分、微分项系数，在实际应用时需根据经验调节；T为控制系统的步长；δd(k)为舵角。.
(10)计算波浪滑翔器浮体实际艏向与浮体期望艏向误差绝对值eF(k)＝ψFd(k)-ψF(k)，如果|e(k)|小于设定的阈值e0并保持一定时间，认为波浪滑翔器浮体艏向控制系统实际输出稳定收敛到期望输出，跳出循环，返回步骤(3)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置滑动时间窗口长度；
(2)设置动态数据存储队列，其存储空间的大小与所设置的滑动时间窗口大小对应，数据结构采用队列形式，其中的元素初始化为0；
(3)判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段，若为快速调整阶段，则进入步骤(4)；若为稳态调整阶段，则进入步骤(5)；所述判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段的方法是：计算潜体实际艏向与潜体期望艏向误差，若误差绝对值大于设定的潜体艏向误差阈值，则为快速调整阶段；反之，则为稳态调整阶段；其中k为离散控制系统的运行时刻；
(4)在所述的动态数据存储队列的后端插入一个“0”元素，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(5)在所述的动态数据存储队列的后端插入当前时刻的浮体与潜体的艏向差，并在所述的动态数据存储队列的前端删除一个元素，进入步骤(6)；
(6)计算所述的动态数据存储队列中所有元素的平均值，作为潜体艏向偏移；
(7)规划潜体期望艏向，即令潜体期望艏向为浮体期望艏向与步骤(6)中得到的潜体艏向偏移的差，其中所述浮体期望艏向为已知的控制目标；
(8)计算潜体期望艏向与浮体艏向的夹角的绝对值，将其限制在预先设定的阈值内；
(9)进行潜体艏向控制，主计算机向舵机发出舵角指令，舵机驱动舵板转动；
(10)计算波浪滑翔器浮体实际艏向与浮体期望艏向误差绝对值，如果小于设定的阈值并保持一定时间，认为波浪滑翔器浮体艏向控制系统实际输出稳定收敛到期望输出，跳出循环，返回步骤(3)。
2.根据权利要求1所述的波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，其特征在于：所述的波浪滑翔器的浮体与潜体分别安装一个艏向传感器，安装于浮体的艏向传感器和安装于潜体的艏向传感器分别测量浮体的艏向和潜体的艏向。
3.根据权利要求1所述的波浪滑翔器自适应浮体艏向控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中判断当前控制系统处于快速调整阶段或稳态调整阶段的判断方法为，若潜体实际艏向与潜体期望艏向误差绝对值大于设定的潜体艏向误差阈值，则为快速调整阶段；反之，则为稳态调整阶段。
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