CN112363401B - 一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法，首先计算水下滑翔机深度位置的跟踪误差，其次基于位置跟踪误差和当前水下滑翔机速度，计算速度跟踪误差，再基于位置与速度跟踪误差，得到浮力控制输入，并且为了消除中间参数估计误差对系统稳定性的影响，还设计了模型中间参数自适应律。从仿真结果来看，在本发明所提出的自适应滑模控制器控制下，水下滑翔机的深度跟踪误差收敛到零，系统能够比较好地跟踪期望信号。

Description

一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下滑翔机控制方法，具体地说是一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法，属于水下航行器控制领域。

背景技术

水下滑翔机是一种被广泛用于海洋环境观测的无人水下观测平台。它通过调节自身浮力大小实现竖直方向的上浮和下潜运动，能够搭载各种传感器采集不同深度、不同水域的海水温度、盐度、压力等资料并通过卫星定位与数据传输系统将采集到的资料传回。这些资料对于提高气候预报的精度、预测开阔大洋上溢油的影响以及指导远洋渔业的生产等都具有极高的应用价值。因此，水下滑翔机受到了各临海国家尤其是发达国家的重视。

水下滑翔机的附加质量、阻力系数等流体动力参数往往难以精确测量。因此，水下滑翔机的动力学模型中部分参数具有不确定性。这就要求所设计的深度控制器必须具有良好的自适应能力。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据给定深度指令，计算水下滑翔机深度位置的跟踪误差：

z₁＝z-z_d

其中z、z_d分别为水下滑翔机的当前深度和参考深度指令；

步骤2：基于步骤1中计算得到的位置跟踪误差和当前水下滑翔机速度，计算速度跟踪误差：

其中u_r为水下滑翔机在连体坐标系中的运动速度，λ₁为控制参数；

步骤3：基于步骤1和步骤2计算得到的位置与速度跟踪误差，得到如下浮力控制输入：

其中，

为模型中间参数的估计值，η_ssign(z₂)为滑模控制项；所述模型为

其中γ＝m+λ₁₁，

m为水下滑翔机质量，λ₁₁为水下滑翔机附加质量，B₀为水下滑翔机初始浮力，G是水下滑翔机总重力，ΔB为浮力调节机构的浮力控制输入，初始时刻ΔB＝0，d为流体动力系数，Δ(u_r)为水下滑翔机竖直方向单自由度动力学模型中的未建模项；

步骤4：为了消除中间参数估计误差对系统稳定性的影响，设计模型中间参数自适应律为：

式中

其中ξ₁、ξ₂、ξ₃为自适应参数，λ₂为控制参数。

有益效果

本发明提出一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法，从仿真结果来看，在本文所提出的自适应滑模控制器控制下，水下滑翔机的深度跟踪误差收敛到零，系统能够比较好地跟踪期望信号。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明结构示意图

图2为参考指令为常值和线性输入时的深度跟踪结果

图3为参考指令为常值和线性输入时系统控制输入随时间变化曲线

图4为参考指令为正弦输入时的深度跟踪结果

图5为参考指令为正弦输入时的速度变化曲线

图6为自适应控制器对质量和附加质量之和的真值和估计值随时间的变化曲线

图7为参考指令为正弦输入时系统控制输入随时间变化曲线

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明所应用的基于浮力调节的水下滑翔机如图1所示，浮力调节装置包括可变形的内油囊和外油囊各一个，使用抽吸水泵和双向电磁阀调节两个油囊之间油液的流动，从而改变水下滑翔机本体的平均密度，实现浮力调节。这种装置调节浮力的范围较小，但易实现浮力的精确控制。

水下滑翔机竖直方向单自由度模型如下：

式中，u_r为滑翔机在连体坐标系中的运动速度，m为滑翔机质量，λ₁₁为滑翔机附加质量，B₀为滑翔机初始浮力，G是滑翔机总重力，ΔB为浮力调节机构引起的浮力变化量，初始时刻ΔB＝0，d为流体动力系数，Δ(u_r)为水下滑翔机竖直方向单自由度动力学模型中的未建模项。

为方便讨论，将系统模型(1)简化为下式：

其中，γ＝m+λ₁₁，

本发明解决方案步骤如下：

步骤1：根据给定深度指令，计算水下滑翔机深度位置的跟踪误差：

z₁＝z-z_d (3)

其中z、z_d分别为滑翔机的当前深度、参考深度指令，可以利用深度传感器测量滑翔机深度z。

步骤2：基于步骤1中计算得到的位置跟踪误差和当前滑翔机速度，计算速度跟踪误差：

其中u_r为滑翔机在连体坐标系中的运动速度，λ₁为控制参数。可以利用多普勒测量滑翔机纵向运动速度u_r。

步骤3：基于步骤1和步骤2计算得到的位置与速度跟踪误差，进行如下浮力控制输入：

其中，

为中间参数的估计值，

为对应的估计误差，η_ssign(z₂)为滑模控制项。

步骤4：为了消除中间参数估计误差对系统稳定性的影响，设计模型中间参数自适应律：

式中

其中ξ₁、ξ₂、ξ₃为自适应参数，λ₂为控制参数。

为了验证本发明设计的水下滑翔机自适应反演深度控制方法的有效性，通过数学仿真验证上述自适应反演滑模控制算法的性能，仿真中选取的水下滑翔机模型参数如下：m＝30.5kg,λ₁₁＝0.930kg,d＝3.9kg/m,B₀-G＝0.1k,|gΔB|≤0.5kg。假设真实环境中存在的未建模项为Δ＝-2sin(u_r)，控制参数为：λ₁＝λ₂＝1,η_s＝0.1,自适应参数为ξ₁＝0.0031,ξ₂＝0.001,ξ₃＝0.1。

(1)深度指令为常值和线性输入的仿真：

水下航行器的初始深度为-40m，初始速度为零，仿真时间300s，前150s参考指令为常值z_d＝-50m，150s到250s深度指令为线性输入，之后为常值：

仿真结果如图2～3所示，图2虚线代表参考指令，实线代表实际深度曲线，图3代表控制输入随时间变化曲线。从仿真结果来看，虽然初始深度跟踪误差和速度跟踪误差较大，但经过一段时间的调节，滑翔机稳定到期望深度，并能够较好地跟踪线性输入指令。

(2)深度指令为正弦输入的仿真：

水下航行器初始深度-40m，初始速度为零。如图4所示，给定参考深度为正弦输入：

仿真结果如图4～7所示，其中图4为水下滑翔机深度随时间的变化的仿真曲线，实线为实际深度，虚线为参考指令，图5为水下滑翔机在仿真过程中的速度变化曲线，图6为自适应控制器对质量和附加质量之和的真值和估计值随时间的变化曲线，图7为系统控制输入随时间变化曲线。

从仿真结果来看，在本文所提出的自适应滑模控制器控制下，水下滑翔机的深度跟踪误差收敛到零，系统能够比较好地跟踪期望信号。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据给定深度指令，计算水下滑翔机深度位置的跟踪误差：

z₁＝z-z_d

其中z、z_d分别为水下滑翔机的当前深度和参考深度指令；

步骤2：基于步骤1中计算得到的位置跟踪误差和当前水下滑翔机速度，计算速度跟踪误差：

其中u_r为水下滑翔机在连体坐标系中的运动速度，λ₁为控制参数；

步骤3：基于步骤1和步骤2计算得到的位置与速度跟踪误差，得到如下浮力控制输入：

其中，

为模型中间参数的估计值，η_ssign(z₂)为滑模控制项；所述模型为

其中γ＝m+λ₁₁，

m为水下滑翔机质量，λ₁₁为水下滑翔机附加质量，B₀为水下滑翔机初始浮力，G是水下滑翔机总重力，ΔB为浮力调节机构的浮力控制输入，初始时刻ΔB＝0，d为流体动力系数，Δ(u_r)为水下滑翔机竖直方向单自由度动力学模型中的未建模项；

模型中间参数自适应律为：

式中

其中ξ₁、ξ₂、ξ₃为自适应参数，λ₂为控制参数。

2.根据权利要求1所述一种基于浮力调节的水下滑翔机自适应反演深度控制方法，其特征在于：所述水下滑翔机中的浮力调节装置包括可变形的内油囊和外油囊各一个，使用抽吸水泵和双向电磁阀调节两个油囊之间油液的流动，从而改变水下滑翔机本体的平均密度，实现浮力调节。

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