CN112947504B - 一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法，属于无人艇技术领域。所述无人潜航器自主回收控制系统包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；其中，双体无人船运动控制系统包括船鲁棒性控制器；无人潜航器运动控制系统包括L1自适应控制器；通过对船鲁棒性控制器和L1自适应控制器进行设计，保证了双体船在最优航向上的平台稳定，并且实现了无人潜航器回收过程的高精度运动控制。同时，本发明设计的自主回收控制系统能够有效的抑制信号中的高频振荡，且对冲击性的干扰不敏感，可显著提高回收控制系统的响应速度、精度，大大提高了潜航器的回收效率和成功率。

Description

一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及无人艇技术领域，具体涉及一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法。
背景技术
无人潜航器是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具，主要指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业的智能化系统。随着人类对海洋资源的日益重视，近年来各类海洋机器人技术得到蓬勃发展，其中水下潜航器依靠其卓越的水下侦察、探测能力，引发了巨大的关注。受能源的约束，水下潜航器无法长时间工作，每当能源低于一定范围值时，需要母船对其进行回收。现如今回收方式众多，但普遍存在着回收机构设计复杂、回收效率低等问题，这无疑将给水下潜航器的回收工作带来诸多麻烦。此外，水下环境复杂多变，不时伴有海流与洋流扰动，给潜航器回收带来诸多不确定性。因此，急需一种设计简洁、可靠性高的回收系统或方法来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种无人潜航器自主回收控制系统，包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；双体无人船主控系统用于接收回收指令，并将回收指令传输至双体无人船运动控制系统；所述双体无人船运动控制系统根据回收指令完成双体无人船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；所述双体无人船主控系统根据反馈的完成动力定位的指令向潜航器自主回收控制系统发出回收下降指令；所述潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；所述无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，控制潜航器进入回收装置；所述潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统，双体无人船主控系统向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；所述无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；所述潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述双体无人船运动控制系统包括参考信号模块、船鲁棒性控制器、推进器、干扰估测器、无人船、目标函数模块、极值搜索算法模块；所述船鲁棒性控制器分别与参考信号模块、干扰估测器和推进器连接；所述无人船分别与推进器、目标函数模块连接；所述极值搜索算法模块分别与目标函数模块、参考信号模块连接。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述参考信号模块的输入为期望位置坐标与期望航向，期望的位置坐标由用户通过双体无人船主控系统设置，期望航向则根据极值搜索算法模块的优化结果获得；输出为期望的速度矢量，所述期望的速度矢量包括期望的纵荡速度、横荡速度与艏摇角速度。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述船鲁棒性控制器的输入为无人船实时的速度矢量和期望的速度矢量的偏差、风浪流作用于无人船的力与力矩的估计值、无人船实时的速度矢量信息，船鲁棒性控制器的输出为控制指令，以达到修正无人船位姿到期望的位置与角度；所述实时的速度矢量包括实时的纵荡速度、横荡速度与艏摇角速度。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述推进器用于控制无人船航行，推进器的输入为控制指令，推进器的输出为作用于船的推进力与力矩。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述干扰估测器的输入为风浪流引起的外界环境干扰数据，输出为风浪流作用于船的力与力矩的估计值；其中风浪流数据包括风速、风向、浪高、浪向、浪频、流速、流向；所述干扰估测器主要用于估计风浪流引起的外界干扰。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述目标函数模块输入为船的实时速度状态、航向和驱动力，目标函数模块中，运行有公式J，通过公式J对输入值进行转化，最终得到评估结果J，并将J作为输出值传递至极值搜索算法模块；其中公式J的表达式为：
Figure BDA0002975957950000021
式中b1、b2、b3为常数代价因子；y(3)表示位姿矢量y的第三个标量值即航向；φ风浪流耦合后所形成的复合干扰作用于船的方向；所述目标函数模块的输出为实时的无人船能量消耗功率值。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述极值搜索算法模块主要是根据目标函数模块的评价结果即J的大小，通过寻优机制不断地优化船的期望航向，从而保证船在该航向下，能量消耗最小，提高船在干扰下延长动力定位的续航能力；所述极值搜索算法模块输入为实时的无人船能量消耗功率值，输出值为期望航向，并将期望航向传递到参考信号模块。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述船鲁棒性控制器主要用于调节双体船在纵向、横向、艏向上的运动，所述船鲁棒性控制器的设计方法为：
(1)构建双体船动力学模型：
首先，通过构建双体船动力学模型，确定被控对象的数学模型，为船鲁棒性控制器的设计奠定基础，所述双体船动力学模型如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002975957950000031
式中，x＝[u,v,r]T表示双体船的速度矢量，u是纵向速度，v是横向速度，r是艏摇速度；T表示对矩阵进行转置；
Figure BDA0002975957950000032
表示附加质量矩阵且
Figure BDA0002975957950000033
m表示船的质量，xg表示船的重心；
Figure BDA0002975957950000034
表示船的线性阻尼矩阵，
Figure BDA0002975957950000035
表示船的非线性阻尼矩阵，
Figure BDA0002975957950000036
表示为柯氏力矩阵，其中，
Figure BDA0002975957950000037
Figure BDA0002975957950000038
Y|r|v，Y|v|r，N|v|r，N|r|v表示水动力系数，且为正常数，由实船水动力实验获取；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示推进器动力输入，τ1表示纵向推进力，τ2表示横向推进力，τ3表示艏向推进力；τE表示由风浪流引起的外界环境干扰；
Figure BDA0002975957950000039
表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵，且a1,a2,a3均为正的实常数；y＝[y1,y2,y3]T表示输出的双体船位姿变量矩阵，其中，y1表示纵向位移、y2表示横向位移，y3表示艏摇角度；
(2)设计无人船不确定性参数逼近器：
其次，为了提高双体船的动力定位精度，使双体船的模型更加精确，本发明设计了无人船不确定性参数逼近器用来补偿模型的不确定性，为船鲁棒性控制器的设计创造条件，所述无人船不确定性参数逼近器的公式如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002975957950000041
式中，δ表示双体船中的不确定性和海洋干扰；β是正常数；
Figure BDA0002975957950000042
其中，
Figure BDA0002975957950000043
表示双体船不确定性的估计值，
Figure BDA0002975957950000044
表示柯氏力矩阵的估计值，
Figure BDA0002975957950000045
表示非线性阻尼矩阵的估计值；Lα、λ1、λ2均为正常数；
(3)构建鲁棒性滑模面：
再次，为了保证双体船速度误差的快速收敛，实现双体船位置与航向角的误差收敛，使双体船能够实现动力定位，本发明构建了鲁棒性滑模面，为船鲁棒性控制器的设计指明了方向，所述鲁棒性滑模面的公式如式(Ⅲ)所示：
Figure BDA0002975957950000046
式中，xe＝x-xd,ye＝y-yd，yd表示给定的无人船期望的位置，xd＝A-Tyd，c1,c2,c3,c4均为用于调节滑模面收敛趋势的正常数；
(4)设计滑模控制律：
此外，本发明以鲁棒性滑模面为基础，设计了滑模控制律，其中根据鲁棒性滑模面S的导数方程、双体船动力学模型的式(Ⅰ)和无人船不确定性参数逼近器的式(Ⅱ)来构建等效控制律τeq，所述等效控制律τeq的公式如式(Ⅴ)所示；根据鲁棒性滑模面S的式(Ⅲ)与模型不确定性和外界干扰耦合后的幅值上界(模型不确定性和外界干扰耦合后的幅值上界)来构建切换控制律τsw，所述切换控制律τsw的公式如式(Ⅵ)所示；
τc＝τeq+τsw(Ⅳ)
Figure BDA0002975957950000047
Figure BDA0002975957950000048
式中，τeq表示等效控制律，τsw为切换控制律，k1sw是一个正常数，
Figure BDA0002975957950000049
表示切换增益；
(5)设计切换增益调节器：
为了实时调节步骤(4)中式(Ⅵ)中切换增益
Figure BDA00029759579500000410
幅值大小，有效缓解滑模控制系统中固有的系统振荡问题，可有效优化船鲁棒性控制器的控制表现，本发明设计了切换增益调节器，所述切换增益调节器公式如式(Ⅶ)所示：
Figure BDA0002975957950000051
式中，k2sw表示一个正常数，e为一个指数函数，ε表示滑模面厚度的阈值且为常数，||·||∞表示矢量的无穷范数。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述滑模控制律方程(Ⅳ)包括等效控制律方程τeq和切换控制律方程τsw。等效控制律方程通过联合鲁棒性滑模面S的导数方程和双体船动力学模型方程(Ⅰ)，并利用无人船不确定性参数逼近器方程(Ⅱ)的结果求得。所述切换控制律的输入主要为滑模面S和切换增益调节器
Figure BDA0002975957950000052
其中滑模面S主要用于引导跟踪误差从初始值沿着一定趋势到达滑模面，切换增益调节器
Figure BDA0002975957950000053
则用于减小跟踪误差到达滑模面内所产生的振荡现象。所述无人船不确定性参数逼近器的输入为无人船的不确定性参数f，其中，f＝-M-1[-(C(v)+Dn(v))·v]，通过无人船不确定性参数逼近器便可获得无人船在不同干扰和航行状态下的不确定性参数的估计值
Figure BDA0002975957950000054
为之后等效控制律的设计提供支持。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述无人潜航器运动控制系统包括路径规划模块、状态矢量转化模块、L1自适应控制器、驱动器、水下潜航器、位姿矢量转化模块；所述状态矢量转化模块分别与路径规划模块、L1自适应控制器连接；所述驱动器分别与L1自适应控制器、水下潜航器连接；所述位姿矢量转化模块分别与水下潜航器、路径规划模块连接。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述路径规划模块的输入为潜航器的实时位姿信息、水下对接准备点位置，利用路径规划模块中运行的TangentBUG算法，生成并输出参考位置与角度矢量信息。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述状态矢量转化模块的输入为参考位置与角度矢量信息，状态矢量转化模块的输出为参考状态矢量。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述L1自适应控制器的输入为水下潜航器实时状态矢量信息与参考状态矢量信息的偏差，L1自适应控制器的输出为控制指令；所述驱动器的输入为控制指令，驱动器将接收到的控制命令转化为实际的推进力和力矩，控制水下潜航器改变自身的状态矢量；所述位姿矢量转化模块的输入为水下潜航器的状态矢量，位姿矢量转化模块输出为潜航器实时的位姿信息，并将位姿信息传递至路径规划模块，从而为潜航器的路径规划提供数据支持。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，L1自适应控制器包括L1自适应控制律模块、低通滤波器、状态观测器、自适应律模块；所述L1自适应控制律模块分别与状态矢量模块、低通滤波器连接，用于实现水下潜航器在海流干扰和模型不确定条件下对参考状态矢量的跟踪；所述低通滤波器分别与L1自适应控制律模块、驱动器、状态观测器连接，旨在滤除控制指令中的高频振荡部分，可有效减小系统状态振荡，延迟驱动器的使用寿命；所述状态观测器的输入为低频控制指令，其作用主要是对水下潜航器中的状态矢量进行估计，并将估计值传输给自适应律模块；所述自适应律模块分别与状态观测器、水下潜航器、L1自适应控制律模块连接，其输入为水下潜航器的状态矢量以及其与状态观测器估计的状态矢量之差，目的是对水下潜航器的不确定性参数和海流干扰力进行在线估计，进而为L1自适应控制律生成提供数据支持。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述L1自适应控制器的设计包括以下步骤：
(a1)构建潜航器动力学模型：
首先，通过构建潜航器动力学模型，确定被控对象的数学模型，为L1自适应控制器的设计奠定基础，所述潜航器动力学模型公式如式(Ⅷ)所示：
Figure BDA0002975957950000061
式中，x2＝[u2,v2,r2,p2,w2]T表示潜航器的速度矢量，u2,v2,r2,p2,w2分别表示为潜航器在纵向方向的速度、横向方向的速度、艏向方向的速度、俯仰方向的速度、升沉方向上的速度；
Figure BDA0002975957950000062
表示潜航器的附加质量矩阵，且
Figure BDA0002975957950000063
Figure BDA0002975957950000064
Figure BDA0002975957950000065
其中，m2表示潜航器的质量，
Figure BDA0002975957950000066
表示潜航器的重心；
Figure BDA0002975957950000071
表示潜航器的线性阻尼矩阵；
Figure BDA0002975957950000072
表示潜航器的非线性阻尼矩阵；
Figure BDA0002975957950000073
表示柯氏力矩阵，其中，
Figure BDA0002975957950000074
在上述表达式中，
Figure BDA0002975957950000075
Figure BDA0002975957950000076
均表示水动力系数，且均为正常数；τ2＝[τ21,τ22,τ23.τ24,τ25]T表示驱动器的动力输入，其中，τ21为纵向驱动力、τ22为横向驱动力、τ23为艏向驱动力、τ24为俯仰方向驱动力、τ25为升沉方向驱动力；τE2表示由海流引起的环境干扰；
Figure BDA0002975957950000077
表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵；y2＝[y21,y22,y23,y24,y25]T表示潜航器输出的位置信息，其中，y21为潜航器输出的纵向位置信息，y22为潜航器输出的横向位置信息，y23为潜航器输出的艏摇位置信息，y24为潜航器输出的俯仰位置信息，y25为潜航器输出的升沉位置信息，T表示对矩阵进行转置；
(a2)构建状态观测器：
其次，为了提高潜航器的轨迹跟踪精度，实时估计潜航器所遭遇的模型不确定性、时变浮力和外界干扰，为L1自适应控制器提供尽可能精确的数学模型，为潜航器的回收创造条件，本发明构建了状态观测器，所述状态观测器公式如式(Ⅸ)所示：
Figure BDA0002975957950000081
式中，
Figure BDA0002975957950000082
表示潜航器不确定性参数的估计值，
Figure BDA0002975957950000083
表示潜航器所受的外界干扰和时变浮力；
(a3)构建自适应律：
再次，为了保证步骤(a2)中所构建状态观测器具有很高的估计准确度，为L1自适应控制器的设计提供了必要条件，本发明构建了自适应律，所述自适应律公式如式(Ⅹ)所示：
Figure BDA0002975957950000084
式中，x2e＝x2-x2d，其中，x2d表示潜航器纵向方向、横向方向、艏向方向、俯仰方向、升沉方向上的期望速度；P是一个赫尔维兹常数矩阵，所述P可通过求解
Figure BDA0002975957950000085
获得，其中，Q为一个常数正定矩阵；Γ表示一个常数增益矩阵；
Figure BDA0002975957950000086
表示潜航器不确定性参数的估计值；
Figure BDA0002975957950000087
为潜航器所受的外界干扰和时变浮力；
(a4)闭环系统控制律：
最后，在构建潜航器动力学模型、状态观测器、自适应律的基础上构建了闭环系统控制律，闭环系统控制律是L1自适应控制器设计的核心，所述闭环系统控制律公式如式(Ⅺ)所示：
Figure BDA0002975957950000088
式中，
Figure BDA0002975957950000089
起到一个低通滤波器的作用，s是时间t在频域里对应的变量，k表示低通滤波常数；
Figure BDA00029759579500000810
y1为水下潜航器的期望位置和角度。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述潜航器自主回收控制系统包括设置在双体船上的卷扬机、引导对接装置、缆绳，引导对接装置通过缆绳与卷扬机连接。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述引导对接装置包括回收筒，所述回收筒的一端为封闭结构，回收筒另一端固定连接有喇叭型导向罩，喇叭型导向罩的窄口端与回收筒固定连接，喇叭型导向罩的宽口端设有接收基阵和发射换能器，所述回收筒的封闭端内壁上设有压力传感器；所述回收筒的外侧壁上设有与缆绳连接的固定环。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述回收筒的侧壁为格栅网结构，所述接收基阵和发射换能器均匀布设在喇叭型导向罩的宽口端。
根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述潜航器自主回收控制系统与无人潜航器运动控制系统之间通过水声通信技术实现信息传输；依靠发射换能器、接收基阵和应答器实现超短基线定位技术，使用所述超短基线定位技术构建喇叭口式引导对接装置与潜航器之间的位置关系；所述应答器设置于潜航器上。
第二方面，本发明提供一种上述无人潜航器自主回收控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，双体无人船主控系统接受用户发出的回收指令，并将该回收指令传递给双体无人船运动控制系统，双体无人船运动控制系统接收到回收指令后，根据外界环境控制双体船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；
步骤2，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发送回收下降指令，潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；
步骤3，无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置信息，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，并控制潜航器进入回收装置，之后潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统；
步骤4，双体无人船主控系统根据收到的反馈信息向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；
步骤5，无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。
与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：
1)本发明在双体无人船运动控制系统中设置有船鲁棒性控制器，船鲁棒性控制器包括无人船不确定性参数逼近器、鲁棒性滑模面、切换增益调节器。其中，无人船不确定性参数逼近器能够有效的估算双体船在不同航行状态下的时变的水动力参数和阻尼参数，为实现双体船的精准控制提供了支撑条件；鲁棒性滑模面由速度误差、位置误差、干扰逼近误差线性耦合而成，相较于传统的速度误差滑模面，本发明的鲁棒性滑模面包含有更多的误差因素，能够对无人船实现更加精准的控制；切换增益调节器在无人船跟踪误差较大时，能够增大切换增益的幅值，从而提高初始误差的收敛速度，而且，在跟踪误差较小时，能够减小切换增益的幅值，从而减小滑模控制时所固有的抖动现象。通过双体无人船运动控制系统中各个模块的协调工作，最终能够实现无人船在复杂外界环境干扰下的动力定位。
2)本发明在无人潜航器运动控制系统中设置有L1自适应控制器，L1自适应控制器包含有L1自适应控制率模块、低通滤波器，其中，L1自适应控制率模块能够在海流干扰和模型不确定条件下实现水下潜航器对参考状态矢量的跟踪；低通滤波器能够滤除控制指令中的高频振荡部分，有效的减小了系统状态的振荡，降低其机械磨损，延长驱动器的使用寿命。在水下环境复杂多变的情况下，本发明通过设计无人潜航器运动控制系统，能够避免潜航器与导向罩在对接阶段时的冲击性干扰，同时使潜航器具有较快的误差收敛速度。
3)本发明所设计的喇叭口式引导对接装置，结构简单、实用、可靠性高。而且，本发明中的控制系统在整个潜航器回收过程中，高度自动化，无需人为干预，可推广到实际工程中。
附图说明
图1为本发明的无人潜航器自主回收控制系统的逻辑流程示意图；
图2为本发明双体无人船运动控制系统的流程示意图；
图3为本发明船鲁棒性控制器的结构示意图；
图4为本发明无人潜航器运动控制系统的结构示意图；
图5为本发明引导对接装置结构示意图；
图中：1为回收筒，2为喇叭型导向罩，3为接收基阵，4为发射换能器，5为压力传感器，6为缆绳，7为固定环。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。
实施例1：
一种无人潜航器自主回收控制系统，其逻辑流程示意图如图1所示，包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；双体无人船主控系统用于接收回收指令，并将回收指令传输至双体无人船运动控制系统；所述双体无人船运动控制系统根据回收指令完成双体无人船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；所述双体无人船主控系统根据反馈的完成动力定位的指令向潜航器自主回收控制系统发出回收下降指令；所述潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；所述无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，控制潜航器进入回收装置；所述潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统，双体无人船主控系统向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；所述无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；所述潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。
双体无人船运动控制系统，其控制系统流程示意图如图2所示，包括参考信号模块、船鲁棒性控制器、推进器、干扰估测器、无人船、目标函数模块、极值搜索算法模块；所述船鲁棒性控制器分别与参考信号模块、干扰估测器和推进器连接；所述无人船分别与推进器、目标函数模块连接；所述极值搜索算法模块分别与目标函数模块、参考信号模块连接。
参考信号模块的输入为期望位置坐标与期望航向，期望的位置坐标由用户通过双体无人船主控系统设置，期望航向则根据极值搜索算法模块的优化结果获得；输出为期望的纵荡与横荡速度和艏摇角速度。
船鲁棒性控制器的输入为无人船实时的速度矢量和期望的纵荡与横荡速度和艏摇角速度的偏差、风浪流作用于无人船的力与力矩的估计值、无人船实时的速度矢量信息，船鲁棒性控制器的输出为控制指令，以达到修正无人船位姿到期望的位置与角度。
船鲁棒性控制器的结构示意图如图3所示，所述船鲁棒性控制器主要用于调节双体船在纵向、横向、艏向上的运动，所述船鲁棒性控制器的设计方法为：
(1)构建双体船动力学模型：
首先，通过构建双体船动力学模型，确定被控对象的数学模型，为船鲁棒性控制器的设计奠定基础，所述双体船动力学模型如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002975957950000111
式中，x＝[u,v,r]T表示双体船的速度矢量，u是纵向速度，v是横向速度，r是艏摇速度；T表示对矩阵进行转置；
Figure BDA0002975957950000112
表示附加质量矩阵且
Figure BDA0002975957950000113
m表示船的质量，xg表示船的重心；
Figure BDA0002975957950000114
表示船的线性阻尼矩阵，
Figure BDA0002975957950000115
表示船的非线性阻尼矩阵，
Figure BDA0002975957950000121
表示为柯氏力矩阵，其中，
Figure BDA0002975957950000122
Figure BDA0002975957950000123
Y|r|v，Y|v|r，N|v|r，N|r|v均表示水动力系数，且均为正常数，由实船水动力实验获取；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示推进器动力输入，τ1表示纵向推进力，τ2表示横向推进力，τ3表示艏向推进力；τE表示由风浪流引起的外界环境干扰；
Figure BDA0002975957950000124
表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵，且a1,a2,a3均为正的实常数；y＝[y1,y2,y3]T表示输出的双体船位姿变量矩阵，其中，y1表示纵向位移、y2表示横向位移，y3表示艏摇角度；
(2)设计无人船不确定性参数逼近器：
其次，为了提高双体船的动力定位精度，使双体船的模型更加精确，本发明设计了无人船不确定性参数逼近器用来补偿模型的不确定性，为船鲁棒性控制器的设计创造条件，所述无人船不确定性参数逼近器的公式如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002975957950000125
式中，δ表示双体船中的不确定性和海洋干扰；β是正常数；
Figure BDA0002975957950000126
其中，
Figure BDA0002975957950000127
表示双体船不确定性的估计值，
Figure BDA0002975957950000128
表示柯氏力矩阵的估计值，
Figure BDA0002975957950000129
表示非线性阻尼矩阵的估计值；Lα、λ1、λ2均为正常数；
(3)构建鲁棒性滑模面：
再次，为了保证双体船速度误差的快速收敛，实现双体船位置与航向角的误差收敛，使双体船能够实现动力定位，本发明构建了鲁棒性滑模面，为船鲁棒性控制器的设计指明了方向，所述鲁棒性滑模面的公式如式(Ⅲ)所示：
Figure BDA00029759579500001210
式中，xe＝x-xd,ye＝y-yd，yd表示给定的无人船期望的位置，xd＝A-Tyd，c1,c2,c3,c4均为用于调节滑模面收敛趋势的正常数；
(4)设计滑模控制律：
此外，本发明以鲁棒性滑模面为基础，设计了滑模控制律，其中根据鲁棒性滑模面S的导数方程、双体船动力学模型的式(Ⅰ)和无人船不确定性参数逼近器的式(Ⅱ)来构建等效控制律τeq，所述等效控制律τeq的公式如式(Ⅴ)所示；根据鲁棒性滑模面S的式(Ⅲ)与模型不确定性和外界干扰耦合后的幅值上界来构建切换控制律τsw，所述切换控制律τsw的公式如式(Ⅵ)所示：
τc＝τeq+τsw(Ⅳ)
Figure BDA0002975957950000131
Figure BDA0002975957950000132
式中，τeq表示等效控制律，τsw为切换控制律，k1sw是一个正常数，
Figure BDA0002975957950000133
表示切换增益；
(5)设计切换增益调节器：
为了实时调节步骤(4)中式(Ⅵ)中切换增益
Figure BDA0002975957950000138
幅值大小，有效缓解滑模控制系统中固有的系统振荡问题，可有效优化船鲁棒性控制器的控制表现，本发明设计了切换增益调节器，所述切换增益调节器公式如式(Ⅶ)所示：
Figure BDA0002975957950000134
式中，k2sw表示一个正常数，e为一个指数函数，ε表示滑模面厚度的阈值且为常数，||·||∞表示矢量的无穷范数。
滑模控制律方程(Ⅳ)包括等效控制律方程τeq和切换控制律方程τsw。等效控制律方程通过联合鲁棒性滑模面S的导数方程和双体船动力学模型方程(Ⅰ)，并利用无人船不确定性参数逼近器方程(Ⅱ)的结果求得。所述切换控制律的输入主要为滑模面S和切换增益调节器
Figure BDA0002975957950000135
其中滑模面S主要用于引导跟踪误差从初始值沿着一定趋势到达滑模面，切换增益调节器
Figure BDA0002975957950000136
则用于减小跟踪误差到达滑模面内所产生的振荡现象。所述无人船不确定性参数逼近器的输入为无人船的不确定性参数f，其中，f＝-M-1[-(C(v)+Dn(v))·v]，通过无人船不确定性参数逼近器便可获得无人船在不同干扰和航行状态下的不确定性参数的估计值
Figure BDA0002975957950000137
为之后等效控制律的设计提供支持。
推进器用于控制无人船航行，推进器的输入为控制指令，推进器的输出为作用于船的推进力与力矩。
干扰估测器的输入为风浪流引起的外界环境干扰数据，输出为风浪流作用于船的力与力矩的估计值；其中风浪流数据包括风速、风向、浪高、浪向、浪频、流速、流向；干扰估测器主要用于估计风浪流引起的外界干扰。
目标函数模块的输入为船的实时速度状态、航向和驱动力，选用公式J将输入值进行转化，得到评估结果J，并将J作为输出值传递至极值搜索算法模块；其中公式J的表达式为：
Figure BDA0002975957950000141
式中b1、b2、b3为常数代价因子；y(3)表示位姿矢量y的第三个标量值即航向；φ风浪流耦合后所形成的复合干扰作用于船的方向；目标函数模块的输出为实时的无人船能量消耗功率值；
极值搜索算法模块主要是根据目标函数模块的评价结果即J的大小，通过寻优机制不断地优化船的期望航向，从而保证船在该航向下，能量消耗最小，提高船在干扰下延长动力定位的续航能力；所述极值搜索算法模块输入为实时的无人船能量消耗功率值，输出值为期望航向，并将期望航向传递到参考信号模块。
无人潜航器运动控制系统的结构示意图如图4所示，包括路径规划模块、状态矢量转化模块、L1自适应控制器、驱动器、水下潜航器、位姿矢量转化模块；所述状态矢量转化模块分别与路径规划模块、L1自适应控制器连接；所述驱动器分别与L1自适应控制器、水下潜航器连接；所述位姿矢量转化模块分别与水下潜航器、路径规划模块连接。
路径规划模块的输入为潜航器的实时位姿信息、水下对接准备点位置，利用路径规划模块中运行的TangentBUG算法，生成并输出参考位置与角度矢量信息。
状态矢量转化模块的输入为参考位置与角度矢量信息，状态矢量转化模块的输出为参考状态矢量。
L1自适应控制器的输入为水下潜航器实时状态矢量信息与参考状态矢量信息的偏差，L1自适应控制器的输出为控制指令，L1自适应控制器的结构示意图如图4所示，包括L1自适应控制律模块、低通滤波器、状态观测器、自适应律模块；所述L1自适应控制律模块分别与状态矢量模块、低通滤波器连接，用于实现水下潜航器在海流干扰和模型不确定条件下对参考状态矢量的跟踪；所述低通滤波器分别与L1自适应控制律模块、驱动器、状态观测器连接，旨在滤除控制指令中的高频振荡部分，可有效减小系统状态振荡，延迟驱动器的使用寿命；所述状态观测器的输入为低频控制指令，其作用主要是对水下潜航器中的状态矢量进行估计，并将估计值传输给自适应律模块；所述自适应律模块分别与状态观测器、水下潜航器、L1自适应控制律模块连接，其输入为水下潜航器的状态矢量以及其与状态观测器估计的状态矢量之差，目的是对水下潜航器的不确定性参数和海流干扰力进行在线估计，进而为L1自适应控制律生成提供数据支持。
L1自适应控制器主要用于调节潜航器在纵向、横向、艏向、俯仰、升沉方向上的运动，L1自适应控制器的设计包括以下步骤：
(a1)构建潜航器动力学模型：
首先，通过构建潜航器动力学模型，确定被控对象的数学模型，为L1自适应控制器的设计奠定基础，所述潜航器动力学模型公式如式(Ⅷ)所示：
Figure BDA0002975957950000151
式中，x2＝[u2,v2,r2,p2,w2]T表示潜航器的速度矢量，u2,v2,r2,p2,w2分别表示为潜航器在纵向方向的速度、横向方向的速度、艏向方向的速度、俯仰方向的速度、升沉方向上的速度；
Figure BDA0002975957950000152
表示潜航器的附加质量矩阵，且
Figure BDA0002975957950000153
Figure BDA0002975957950000154
Figure BDA0002975957950000155
其中，m2表示潜航器的质量，
Figure BDA0002975957950000156
表示潜航器的重心；
Figure BDA0002975957950000157
表示潜航器的线性阻尼矩阵；
Figure BDA0002975957950000158
表示潜航器的非线性阻尼矩阵；
Figure BDA0002975957950000161
表示柯氏力矩阵，其中，
Figure BDA0002975957950000162
在上述表达式中，
Figure BDA0002975957950000163
Figure BDA0002975957950000164
均表示水动力系数，且均为正常数；τ2＝[τ21,τ22,τ23.τ24,τ25]T表示驱动器的动力输入，其中，τ21为纵向驱动力、τ22为横向驱动力、τ23为艏向驱动力、τ24为俯仰方向驱动力、τ25为升沉方向驱动力；τE2表示由海流引起的环境干扰；
Figure BDA0002975957950000165
表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵；y2＝[y21,y22,y23,y24,y25]T表示潜航器输出的位置信息，其中，y21为潜航器输出的纵向位置信息，y22为潜航器输出的横向位置信息，y23为潜航器输出的艏摇位置信息，y24为潜航器输出的俯仰位置信息，y25为潜航器输出的升沉位置信息，T表示对矩阵进行转置；
(a2)构建状态观测器：
其次，为了提高潜航器的轨迹跟踪精度，实时估计潜航器所遭遇的模型不确定性、时变浮力和外界干扰，为L1自适应控制器提供尽可能精确的数学模型，为潜航器的回收创造条件，本发明构建了状态观测器，所述状态观测器公式如式(Ⅸ)所示：
Figure BDA0002975957950000166
式中，
Figure BDA0002975957950000167
表示潜航器不确定性参数的估计值，
Figure BDA0002975957950000168
表示潜航器所受的外界干扰和时变浮力；
(a3)构建自适应律：
再次，为了保证步骤(a2)中所构建状态观测器具有很高的估计准确度，为L1自适应控制器的设计提供了必要条件，本发明构建了自适应律，所述自适应律公式如式(Ⅹ)所示：
Figure BDA0002975957950000171
式中，x2e＝x2-x2d，其中，x2d表示潜航器在纵向方向、横向方向、艏向方向、俯仰方向、升沉方向上的期望速度；P是一个赫尔维兹常数矩阵，所述P可通过求解
Figure BDA0002975957950000172
获得，其中，Q为一个常数正定矩阵；Γ表示一个常数增益矩阵；
Figure BDA0002975957950000173
表示潜航器不确定性参数的估计值；
Figure BDA0002975957950000174
为潜航器所受的外界干扰和时变浮力；
(a4)闭环系统控制律：
最后，在构建潜航器动力学模型、状态观测器、自适应律的基础上构建了闭环系统控制律，闭环系统控制律是L1自适应控制器设计的核心，所述闭环系统控制律公式如式(Ⅺ)所示：
Figure BDA0002975957950000175
式中，
Figure BDA0002975957950000176
起到一个低通滤波器的作用，s是时间t在频域里对应的变量，k表示低通滤波常数；
Figure BDA0002975957950000177
y1为水下潜航器的期望位置和角度。
驱动器的输入为控制指令，驱动器将接收到的控制命令转化为实际的推进力和力矩，控制水下潜航器改变自身的状态矢量。
位姿矢量转化模块的输入为水下潜航器的状态矢量，位姿矢量转化模块输出为潜航器实时的位姿信息，并将位姿信息传递至路径规划模块，从而为潜航器的路径规划提供数据支持。
潜航器自主回收控制系统包括设置在双体船上的卷扬机、引导对接装置、缆绳，引导对接装置通过缆绳与卷扬机连接。
其中，引导对接装置如图5所示，所述引导对接装置包括回收筒1，所述回收筒1的一端为封闭结构，回收筒1另一端固定连接有喇叭型导向罩2，喇叭型导向罩2的窄口端与回收筒1固定连接，喇叭型导向罩2的宽口端设有接收基阵3和发射换能器4，所述回收筒1的封闭端内壁上设有压力传感器5；所述回收筒1的外侧壁上设有与缆绳7连接的固定环6；回收筒1的侧壁为格栅网结构，所述接收基阵3和发射换能器4均匀布设在喇叭型导向罩2的宽口端。
潜航器自主回收控制系统与无人潜航器运动控制系统之间通过水声通信技术实现信息传输；依靠发射换能器、接收基阵和应答器实现超短基线定位技术，使用所述超短基线定位技术构建喇叭口式引导对接装置与潜航器之间的位置关系；所述应答器设置于潜航器上。
实施例2：
一种实施例1的无人潜航器自主回收控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，双体无人船主控系统接受用户发出的回收指令，并将该回收指令传递给双体无人船运动控制系统，双体无人船运动控制系统接收到回收指令后，根据外界环境控制双体船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；
步骤2，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发送回收下降指令，潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；
步骤3，无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置信息，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，并控制潜航器进入回收装置，之后潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统；
步骤4，双体无人船主控系统根据收到的反馈信息向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；
步骤5，无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。

Claims (7)

1.一种无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；双体无人船主控系统用于接收回收指令，并将回收指令传输至双体无人船运动控制系统；所述双体无人船运动控制系统根据回收指令完成双体无人船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；所述双体无人船主控系统根据反馈的完成动力定位的指令向潜航器自主回收控制系统发出回收下降指令；所述潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；所述无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，控制潜航器进入回收装置；所述潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统，双体无人船主控系统向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；所述无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；所述潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收；
所述无人潜航器运动控制系统包括路径规划模块、状态矢量转化模块、L1自适应控制器、驱动器、水下潜航器、位姿矢量转化模块；所述路径规划模块中运行有TangentBUG算法，所述路径规划模块的输入为潜航器的实时位姿信息、水下对接准备点位置，所述路径规划模块的输出为参考位置与角度矢量信息；所述状态矢量转化模块的输入为参考位置与角度矢量信息，所述状态矢量转化模块的输出为参考状态矢量；所述L1自适应控制器的输入为水下潜航器实时状态矢量与参考状态矢量间的偏差，所述L1自适应控制器的输出为控制指令；所述驱动器的输入为控制指令，驱动器将接收到的控制命令转化为实际的推进力和力矩，控制水下潜航器改变自身的状态矢量；所述位姿矢量转化模块的输入为水下潜航器的实时状态矢量，所述位姿矢量转化模块的输出为潜航器实时的位姿信息；
所述L1自适应控制器的设计包括以下步骤：
(a1)构建潜航器动力学模型：
构建潜航器动力学模型，所述潜航器动力学模型公式如式(Ⅷ)所示：
Figure FDA0003679262210000011
式中，x2＝[u2,v2,r2,p2,w2]T表示潜航器的速度矢量，u2,v2,r2,p2,w2分别表示为潜航器在纵向方向的速度、横向方向的速度、艏向方向的速度、俯仰方向的速度、升沉方向上的速度；
Figure FDA0003679262210000021
表示潜航器的附加质量矩阵，且
Figure FDA0003679262210000022
Figure FDA0003679262210000023
Figure FDA0003679262210000024
其中，m2表示潜航器的质量，
Figure FDA0003679262210000025
表示潜航器的重心；
Figure FDA0003679262210000026
表示潜航器的线性阻尼矩阵；
Figure FDA0003679262210000027
表示潜航器的非线性阻尼矩阵；
Figure FDA0003679262210000028
表示柯氏力矩阵，其中，
Figure FDA0003679262210000029
在上述表达式中，
Figure FDA00036792622100000210
Yr 2,
Figure FDA00036792622100000211
Figure FDA00036792622100000212
K|p|p,
Figure FDA00036792622100000213
Figure FDA00036792622100000214
均表示水动力系数，且均为正常数；τ2＝[τ21,τ22,τ23.τ24,τ25]T表示驱动器的动力输入，其中，τ21为纵向驱动力、τ22为横向驱动力、τ23为艏向驱动力、τ24为俯仰方向驱动力、τ25为升沉方向驱动力；τE2表示由海流引起的环境干扰；
Figure FDA0003679262210000031
表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵；y2＝[y21,y22,y23,y24,y25]T表示潜航器输出的位置信息，其中，y21为潜航器输出的纵向位置信息，y22为潜航器输出的横向位置信息，y23为潜航器输出的艏摇位置信息，y24为潜航器输出的俯仰位置信息，y25为潜航器输出的升沉位置信息，T表示对矩阵进行转置；
(a2)构建状态观测器：
构建状态观测器，所述状态观测器公式如式(Ⅸ)所示：
Figure FDA0003679262210000032
式中，
Figure FDA0003679262210000033
表示潜航器不确定性参数的估计值，
Figure FDA0003679262210000034
表示潜航器所受的外界干扰和时变浮力；
(a3)构建自适应律：
构建自适应律，所述自适应律公式如式(Ⅹ)所示：
Figure FDA0003679262210000035
式中，x2e＝x2-x2d，其中，x2d表示潜航器在纵向方向、横向方向、艏向方向、俯仰方向、升沉方向上的期望速度；P是一个赫尔维兹常数矩阵，所述P通过求解
Figure FDA0003679262210000036
获得，其中，Q为一个常数正定矩阵；Γ表示一个常数增益矩阵；
Figure FDA0003679262210000037
表示潜航器不确定性参数的估计值；
Figure FDA0003679262210000038
为潜航器所受的外界干扰和时变浮力；
(a4)闭环系统控制律：
在构建潜航器动力学模型、状态观测器、自适应律的基础上构建闭环系统控制律，所述闭环系统控制律公式如式(Ⅺ)所示：
Figure FDA0003679262210000039
式中，
Figure FDA00036792622100000310
起到一个低通滤波器的作用，s是时间t在频域里对应的变量，k表示低通滤波常数；
Figure FDA0003679262210000041
y1为水下潜航器的期望位置和角度。
2.根据权利要求1所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述双体无人船运动控制系统包括参考信号模块、船鲁棒性控制器、推进器、干扰估测器、无人船、目标函数模块、极值搜索算法模块；所述参考信号模块的输入为期望的位置坐标与期望航向，输出为期望的速度矢量；所述船鲁棒性控制器的输入为无人船实时的速度矢量和期望的速度矢量的偏差、风浪流作用于无人船的力与力矩的估计值、无人船实时的速度矢量信息，船鲁棒性控制器的输出为控制指令；所述推进器用于控制无人船航行，推进器的输入为控制指令，推进器的输出为作用于船的推进力与力矩；所述干扰估测器的输入为风浪流引起的外界环境干扰数据，干扰估测器的输出为风浪流作用于船的力与力矩的估计值；所述目标函数模块的输入为船的实时速度状态、航向和驱动力，目标函数模块的输出为实时的无人船能量消耗功率值；所述极值搜索算法模块输入为实时的无人船能量消耗功率值，输出值为期望航向，并将期望航向传递到参考信号模块。
3.根据权利要求2所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述船鲁棒性控制器的设计方法为：
(1)构建双体船动力学模型：
构建双体船动力学模型，所述双体船动力学模型公式如式(Ⅰ)所示：
Figure FDA0003679262210000042
式中，x＝[u,v,r]T表示双体船的速度矢量，u是纵向速度，v是横向速度，r是艏摇速度；T表示对矩阵进行转置；
Figure FDA0003679262210000043
表示附加质量矩阵且
Figure FDA0003679262210000044
其中，m表示船的质量，xg表示船的重心；
Figure FDA0003679262210000045
表示船的线性阻尼矩阵；
Figure FDA0003679262210000051
表示船的非线性阻尼矩阵；
Figure FDA0003679262210000052
表示为柯氏力矩阵，其中，上述表达式中Xu,X|u|u,Xuuu,
Figure FDA0003679262210000053
Figure FDA0003679262210000054
Yv，Y|v|v，
Figure FDA0003679262210000055
Nv，N|v|v，
Figure FDA0003679262210000056
Yr，Y|r|r，
Figure FDA0003679262210000057
Nr，N|r|r，Y|r|v，Y|v|r，N|v|r，N|r|v均表示水动力系数，且均为正常数；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示推进器动力输入，其中，τ1表示纵向推进力，τ2表示横向推进力，τ3表示艏向推进力；τE表示由风浪流引起的外界环境干扰；
Figure FDA0003679262210000058
表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵，且a1,a2,a3均为正的实常数；y＝[y1,y2,y3]T表示输出的双体船位姿变量矩阵，其中，y1表示纵向位移、y2表示横向位移，y3表示艏摇角度；
(2)设计无人船不确定性参数逼近器：
设计无人船不确定性参数逼近器来补偿双体无人船模型的不确定性，所述无人船不确定性参数逼近器的公式如式(Ⅱ)所示：
Figure FDA0003679262210000059
式中，δ表示双体船中的不确定性和海洋干扰；β是正常数；
Figure FDA00036792622100000510
其中，
Figure FDA00036792622100000511
表示双体船不确定性的估计值；
Figure FDA00036792622100000512
表示柯氏力矩阵的估计值；
Figure FDA00036792622100000513
表示非线性阻尼矩阵的估计值；Lα、λ1、λ2均为正常数；
(3)构建鲁棒性滑模面：
构建鲁棒性滑模面，所述鲁棒性滑模面的公式如式(Ⅲ)所示：
Figure FDA00036792622100000514
式中，xe＝x-xd,ye＝y-yd；yd表示无人船期望的位置，xd＝A-Tyd；c1,c2,c3,c4均为用于调节滑模面收敛趋势的正常数；
(4)设计滑模控制律：
以鲁棒性滑模面为基础，设计滑模控制律，其中根据鲁棒性滑模面S的导数方程、双体船动力学模型的式(Ⅰ)和无人船不确定性参数逼近器的式(Ⅱ)来构建等效控制律τeq，所述等效控制律τeq的公式如式(Ⅴ)所示；根据鲁棒性滑模面S的式(Ⅲ)与模型不确定性和外界干扰耦合后的幅值上界来构建切换控制律τsw，所述切换控制律τsw的公式如式(Ⅵ)所示；
τc＝τeq+τsw (Ⅳ)
Figure FDA0003679262210000061
Figure FDA0003679262210000062
式中，τeq表示等效控制律，τsw为切换控制律，k1sw是一个正常数，
Figure FDA0003679262210000063
表示切换增益；
(5)设计切换增益调节器：
设计切换增益调节器调节切换增益
Figure FDA0003679262210000064
幅值，所述切换增益调节器公式如式(Ⅶ)所示：
Figure FDA0003679262210000065
式中，k2sw表示一个正常数，e为一个指数函数，ε表示滑模面厚度的阈值且为常数，||·||∞表示矢量的无穷范数。
4.根据权利要求1所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述潜航器自主回收控制系统包括设置在双体船上的卷扬机、引导对接装置、缆绳，引导对接装置通过缆绳与卷扬机连接。
5.根据权利要求4所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述引导对接装置包括回收筒，所述回收筒的一端为封闭结构，回收筒另一端固定连接有喇叭型导向罩，喇叭型导向罩的窄口端与回收筒固定连接，喇叭型导向罩的宽口端设有接收基阵和发射换能器，所述回收筒的封闭端内壁上设有压力传感器；所述回收筒的外侧壁上设有与缆绳连接的固定环。
6.根据权利要求5所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述回收筒的侧壁为栅格网结构，所述接收基阵和发射换能器均匀布设在喇叭型导向罩的宽口端。
7.一种权利要求1～6任一所述的无人潜航器自主回收控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，双体无人船主控系统接受用户发出的回收指令，并将该回收指令传递给双体无人船运动控制系统，双体无人船运动控制系统接收到回收指令后，根据外界环境控制双体船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；
步骤2，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发送回收下降指令，潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；
步骤3，无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置信息，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，并控制潜航器进入回收装置，之后潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统；
步骤4，双体无人船主控系统根据收到的反馈信息向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；
步骤5，无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。
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