CN114489090B - 一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法，针对飞翼布局水下滑翔机的横滚运动和偏航运动表现出强烈的耦合性，且航向控制具有欠驱动特性，以水平差动舵作为执行机构设计自抗扰控制器，该控制器可以根据差动舵角对横滚通道模型的影响，实现飞翼布局水下滑翔机横滚角精确控制，并具有一定的抗干扰能力，配合基于横滚角切换的航向控制策略，实现航向欠驱动控制。

Description

一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制 方法

技术领域

本发明涉及水下滑翔机技术领域，尤其涉及水下滑翔机的姿态控制方法，具体为一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法。

背景技术

水下滑翔机是一种将浮标、潜标技术与水下机器人技术相结合而研制出的一种无外挂、依靠自身重力驱动的新型水下航行器。其主要特点是：不带螺旋桨推进系统，通过调节滑翔机净浮力，实现上下沉浮运动，附于机身的水平机翼产生斜向上、或斜向下的升力，操纵滑翔机向前滑翔。水下滑翔机克服了水下航行器功率大、航行时间短的缺点，大大降低了运行成本和制造成本，提高了续航时间，在军事上和海洋探索研究上非常有实用价值。

因为只在上浮和下潜的姿态转换过程中机械机构才进行短暂的工作，这种间歇性的工作模式与传统的螺旋桨推进相比，具有如下优点：

(1)长续航能力：持续工作时间长、巡航范围广；

(2)能量来源广：海洋层面温差、洋流；

(3)环保型：低噪声、无污染。

发明内容

要解决的技术问题

飞翼布局水下滑翔机是一种新布局形式的水下滑翔机，其在横滚运动和偏航运动表现出强烈的耦合性，且航向控制具有欠驱动特性。本发明针对飞翼布局水下滑翔机模型不确定性和航向欠驱动特性，提供一种易实现，抗干扰能力强的基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法。以水平差动舵作为执行机构设计自抗扰控制器，该控制器可以根据差动舵角对横滚通道模型的影响，实现飞翼布局水下滑翔机横滚角精确控制，配合基于横滚角切换的航向控制策略，实现航向欠驱动控制。

具体包括以下步骤：

步骤1：基于目标航向计算横滚角控制指令：

令滑翔机实际航向和目标航向分别为ψ，ψ_d，横滚角计算控制指令和实际控制指令分别为 根据算法(1)计算/>

根据算法(2)计算并输出

步骤2：接收横滚角指令信号，根据离散型的非线性跟踪微分器算法(3)计算信号输出r₁(k+1)和信号微分输出r₂(k+1)：

其中， 表示第k时刻横滚角指令，r₁(k)和r₂(k)是输出信号；fst(·)称为最速控制综合函数，描述如下

式中，d＝σh₀，d₀＝h₀d，y＝x₁+h₀x₂，

步骤3：根据非线性PD控制离散算法(5)计算控制输出u₀(k)

u₀(k)＝β₁fal(e₁(k),λ₁,ξ)+β₂fal(e₂(k),λ₂,ξ) (5)

式中，β₁和β₂分别表示比例项和微分项的加权值，函数fal(e,λ,ξ)为

e₁(k)＝r₁(k)-z₁(k)，e₂(k)＝r₂(k)-z₂(k)，λ₁、λ₂和ξ为函数内参数，0<λ₁<1<λ₂，ξ表示函数的线性区间长度；

步骤4：建立飞翼布局滑翔机横滚通道的二阶非线性控制模型如(7)所示：

式中，

式中，m_b表示滑翔机的质量，m_c是可变压载质量，/>是可移动滑块质量，/>是不包含前两者的滑翔机剩余质量，A_ij表示滑翔机的附加质量，/>是/>在i轴上的重心坐标，I_xx、I_yy、I_zz、I_xz表示滑翔机的惯性矩，由于滑翔机的重心和浮心都落在随体坐标系的i-k平面上，所以(I_G,0,K_G)和(I_B,0,K_B)分别表示滑翔机的重心和浮心的坐标，V_b表示滑翔机的排水体积，(F_HI,F_HJ,F_HK)和(M_HI,M_HJ,M_HK)分别表示沿i轴，j轴和k轴的流体力和流体力矩；

M_b表示包括附加质量在内的惯性质量矩阵，表示为

表示质量矩阵M_b的逆矩阵/>中的第k行第l列的元素。通过CFD计算和试验数据拟合可以得到滑翔机所受水动力及水动力力矩和水平舵角、水平差动舵角以及滑块位置的关系如下

F_HJ＝0 (9-2)

M_HI＝-r₄·Kpn·u·p+r₃·u³·Kpr+r₃·u²·Kdb·δ_d (9-4)

上述六式中，L表示滑翔机的特征长度，C_d0表示速度系数，δ_s和δ_d分别表示滑翔机水平舵和差动舵舵角，单位为角度制，其余的项均为无量纲水动力参数。

将式(9)中关于水平差动舵舵角δ_d的项合并作为控制项，其他关于滑块位置水平舵角δ_s和水动力及力矩的项作为模型扰动项，化简为

式中，

对于二阶非线性系统(10)，令一个新的状态变量x₃＝f_RCD，且将式(10)扩张成一个新的系统

对于系统(11)，使用扩张状态观测器对其中的三个状态变量进行估计，根据扩张状态观测器的离散算法(12)计算z₁，z₂，z₃，

式中，ψ(k)表示水下滑翔机实际横滚角，ξ、β₀₁、β₀₂和β₀₃为观测器参数。

步骤5：根据离散扰动估计补偿算法(13)计算δ_d(k)，并作为差动舵角控制信号输出。重复以上步骤直到航行结束。

式中，

有益效果

本发明提出一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法，飞翼布局水下滑翔机的横滚运动和偏航运动表现出强烈的耦合性，且航向控制具有欠驱动特性。以水平差动舵作为执行机构设计横滚通道自抗扰控制器，实现飞翼布局水下滑翔机的横滚角精确控制，并具有一定的抗干扰能力，配合基于横滚角切换的航向控制策略，实现航向欠驱动控制。具体来说，本发明具有以下优点及有益效果：

1、实现精确控制。针对飞翼布局水下滑翔机横滚通道模型，设计横滚自抗扰控制器，该控制器可以根据差动舵角对横滚通道模型的影响，输出更精确的舵角；

2、实现欠驱动航向控制。考虑到飞翼布局滑翔机没有配置垂直舵，无法提供航向力矩，因此设计基于横滚角切换的航向控制策略，实现“以滚代偏”的航向欠驱动控制；

3、抗干扰能力强。水下滑翔机模型中存在不确定干扰，而且当浮力变化时模型也会发生变化，抗干扰能力强的自抗扰控制器可以实现水下滑翔机运动过程中横滚角稳定控制。

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飞翼布局水下滑翔机外形图；

图2飞翼布局水下滑翔机航向控制器结构图；

图3航向角控制仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下飞翼布局水下滑翔机外形图(附图1)，飞翼布局水下滑翔机航向控制器结构图(附图2)和仿真结果图(附图3)，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不限定用于本发明。

步骤1：基于目标航向计算横滚角控制指令。令滑翔机实际航向和目标航向分别为ψ，ψ_d，横滚角计算控制指令和实际控制指令分别为根据算法(14)计算/>

根据算法(15)计算并输出。

步骤2：接收横滚角指令信号，根据离散型的非线性跟踪微分器算法(16)计算信号输出r₁(k+1)和信号微分输出r₂(k+1)，

其中， 表示第k时刻横滚角指令，r₁(k)和r₂(k)是输出信号。fst(·)称为最速控制综合函数，描述如下

式中，d＝σh₀，d₀＝h₀d，y＝x₁+h₀x₂，/>

步骤3：根据非线性PD控制离散算法(18)计算控制输出u₀(k)，

u₀(k)＝β₁fal(e₁(k),λ₁,ξ)+β₂fal(e₂(k),λ₂,ξ) (18)

式中，u₀表示输出的控制量，β₁和β₂分别表示比例项和微分项的加权值，函数fal(e,λ,ξ)为

e₁(k)＝r₁(k)-z₁(k)，e₂(k)＝r₂(k)-z₂(k)，λ₁、λ₂和ξ为函数内参数，0<λ₁<1<λ₂，ξ表示函数的线性区间长度。

步骤4：建立飞翼布局滑翔机横滚通道的二阶非线性控制模型如(20)所示：

式中，

式中，m_b表示滑翔机的质量，m_c是可变压载质量，/>是可移动滑块质量，/>是不包含前两者的滑翔机剩余质量，A_ij表示滑翔机的附加质量，/>是/>在i轴上的重心坐标，I_xx、I_yy、I_zz、I_xz表示滑翔机的惯性矩，由于滑翔机的重心和浮心都落在随体坐标系的i-k平面上，所以(I_G,0,K_G)和(I_B,0,K_B)分别表示滑翔机的重心和浮心的坐标，V_b表示滑翔机的排水体积，(F_HI,F_HJ,F_HK)和(M_HI,M_HJ,M_HK)分别表示沿i轴，j轴和k轴的流体力和流体力矩。

M_b表示包括附加质量在内的惯性质量矩阵，表示为

表示质量矩阵M_b的逆矩阵/>中的第k行第l列的元素。通过CFD计算和试验数据拟合可以得到滑翔机所受水动力及水动力力矩和水平舵角、水平差动舵角以及滑块位置的关系如下

F_HJ＝0 (22-2)

M_HI＝-r₄·Kpn·u·p+r₃·u³·Kpr+r₃·u²·Kdb·δ_d (22-4)

上述六式中，L表示滑翔机的特征长度，C_d0表示速度系数，δ_s和δ_d分别表示滑翔机水平舵和差动舵舵角，单位为角度制，其余的项均为无量纲水动力参数。

将式(22)中关于水平差动舵舵角δ_d的项合并作为控制项，其他关于滑块位置水平舵角δ_s和水动力及力矩的项作为模型扰动项,化简为

式中，

对于二阶非线性系统(23)，令一个新的状态变量x₃＝f_RCD，且将式(23)扩张成一个新的系统

对于系统(24)，使用扩张状态观测器(ESO)对其中的三个状态变量进行估计，根据扩张状态观测器的离散算法(25)计算z₁，z₂，z₃，

式中，ψ(k)表示水下滑翔机实际横滚角，ξ、β₀₁、β₀₂和β₀₃为观测器参数。

步骤5：根据离散扰动估计补偿算法(26)计算δ_d(k)，并作为差动舵角控制信号输出。重复以上步骤直到航行结束。

式中，

下面对提出的控制方法进行水下滑翔机航向角的控制仿真，规定仿真中差动舵角为+δ_d表示右水平舵角为-δ_d，左水平舵角为+δ_d。自抗扰控制器参数设置为：h＝h₀＝0.01，σ＝10，β₁＝1，β₂＝0.1，λ₁＝0.5，λ₂＝1.25，ξ＝0.02，β₀₁＝100，β₀₂＝300，β₀₃＝1000。仿真设置目标航向角为+90°到-90°的阶跃信号，仿真结果如图3所示。

仿真结果显示，航向角控制响应快，无超调，无稳态误差。

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 (4)

1.一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：基于目标航向计算横滚角控制指令：

获取飞翼布局水下滑翔机实际航向和目标航向分别为ψ，ψ_d，并根据飞翼布局水下滑翔机实际航向和目标航向确定横滚角计算控制指令和实际控制指令/>

步骤2：接收横滚角实际控制指令信号，根据离散型的非线性跟踪微分器算法计算信号输出r₁(k+1)和信号微分输出r₂(k+1)：

步骤3：根据非线性PD控制离散算法计算控制输出u₀(k)；

步骤4：建立飞翼布局滑翔机横滚通道的二阶非线性控制模型：

式中，

式中，m_b表示滑翔机的质量，m_c是可变压载质量，/>是可移动滑块质量，是不包含前两者的滑翔机剩余质量，A_ij表示滑翔机的附加质量，/>是/>在i轴上的重心坐标，I_xx、I_yy、I_zz、I_xz表示滑翔机的惯性矩；滑翔机的重心和浮心都落在随体坐标系的i-k平面上，(I_G,0,K_G)和(I_B,0,K_B)分别表示滑翔机的重心和浮心的坐标，V_b表示滑翔机的排水体积，(F_HI,F_HJ,F_HK)和(M_HI,M_HJ,M_HK)分别表示沿i轴，j轴和k轴的流体力和流体力矩；

M_b表示包括附加质量在内的惯性质量矩阵，表示为

表示质量矩阵M_b的逆矩阵/>中的第k行第l列的元素；滑翔机所受水动力及水动力力矩和水平舵角、水平差动舵角以及滑块位置的关系如下

F_HJ＝0

F_HK＝-r₃·Zqn·u·q-r₂·Zwn·u·w+(r₂·u²·Zds+r₂·Zdsn·u²)δ_s+r₂·u²·Zdb·δ_d

M_HI＝-r₄·Kpn·u·p+r₃·u³·Kpr+r₃·u²·Kdb·δ_d

上述六式中，L表示滑翔机的特征长度，C_d0表示速度系数，δ_s和δ_d分别表示滑翔机水平舵和差动舵舵角，其余项均为无量纲水动力参数；

将上述六式中关于水平差动舵舵角δ_d的项合并作为控制项，其他关于滑块位置水平舵角δ_s和水动力及力矩的项作为模型扰动项，化简为二阶非线性系统：

式中，

令一个新的状态变量x₃＝f_RCD，且将所述二阶非线性系统扩张成一个新系统

对于所述新系统，使用扩张状态观测器对其中的三个状态变量进行估计，根据扩张状态观测器的离散算法

计算z₁，z₂，z₃式中，ψ(k)表示水下滑翔机实际横滚角，ξ、β₀₁、β₀₂和β₀₃为观测器参数

步骤5：根据离散扰动估计补偿算法

计算δ_d(k)，并作为差动舵角控制信号输出；

式中，

2.根据权利要求1所述一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法，其特征在于：步骤1中，横滚角计算控制指令为

实际控制指令为：

3.根据权利要求1所述一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法，其特征在于：步骤2中，信号输出r₁(k+1)和信号微分输出r₂(k+1)为：

其中， 表示第k时刻横滚角实际控制指令，r₁(k)和r₂(k)是输出信号；fst(·)称为最速控制综合函数，描述如下

式中，d＝σh₀，d₀＝h₀d，y＝x₁+h₀x₂，/>

4.根据权利要求1所述一种基于横滚自抗扰控制的飞翼布局水下滑翔机航向控制方法，其特征在于：步骤3中，控制输出u₀(k)＝β₁fal(e₁(k),λ₁,ξ)+β₂fal(e₂(k),λ₂,ξ)，式中，u₀表示输出的控制量，β₁和β₂分别表示比例项和微分项的加权值，函数fal(e,λ,ξ)为

e₁(k)＝r₁(k)-z₁(k)，e₂(k)＝r₂(k)-z₂(k)，λ₁、λ₂和ξ为函数内参数，0<λ₁<1<λ₂，ξ表示函数的线性区间长度。