CN115857521A - 一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及跨介质航行器控制技术领域，尤其涉及一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，所述方法包括：将期望运动轨迹与实际运动轨迹作差输出运动轨迹误差信号，计算得到控制指令；基于跨介质航行器的实时高度信号，确定所处的任务剖面区域，根据切换规则切换控制模式；根据控制模式切换控制指令的输出通道，输出至对应的执行机构，控制执行机构的期望控制力和/或力矩。本发明基于运动轨迹误差确定跨介质航行器的运动偏差，生成对执行机构的控制指令，确定航行器所在的介质区间并切换控制模式，有利于实现多任务剖面的智能自适应协同控制，达到跨介质航行器空中巡航、水下潜航及跨介质过渡等全运行域整体控制性能最优的有益效果。

Description

一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法

技术领域

本发明涉及跨介质航行器控制技术领域，尤其涉及一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法。

背景技术

跨介质航行器可在空中巡航、水下潜航并完成两种介质下的过渡。为避免出/入水介质跨越时的大冲击载荷对航行器机械结构的冲击影响，引入构型可变的机翼结构来模仿鸟类收掠翅膀，以减小航行器跨介质时的冲击阻力。

由于气/水两种介质在密度、粘性等物理性质方面存在巨大差异，跨介质航行器在两种介质中的运动特性截然不同，其入水和出水过程涉及航行器与流体介质的耦合作用、跨越介质时的载荷突变、姿态变化的瞬时失稳等问题，使得跨介质航行器具有复杂非线性控制系统的典型特征，例如：空中飞行阶段提供升力的机翼在入水过程中产生巨大阻力，同时影响俯仰控制性能；出水过程中附加质量与诱导阻力的不均衡会增加跨介质航行器运动参数的测量难度；

目前，跨介质航行器在空中/水面/水下多任务执行过程中大多是根据机翼、旋翼等执行机构的结构布局参数预先确定协调控制方案，无法根据单/跨介质航行模式、外界环境扰动、执行机构失效信息实现控制方法的动态调整，最终可能导致跨介质航行器无法应对空中/水面/水下多任务剖面的高可靠自适应协同控制，跨介质航行器单介质/跨介质运行控制特性突变、出/入水过程存在载荷冲击参数不可测，导致在这个过程中航行器难以控制。

区别于无人机、水面船和水下航行器，跨介质航行器需要重复跨越气/水两相界面并在这个过程中保持最优动力学性能，而目前缺乏一种使得跨介质航行器在重复跨越气/水两相界面时保持稳定的控制方法。

发明内容

本发明提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，用以解决现有技术中的缺陷，现有的跨介质航行器空中/水面/水下多任务执行过程中只能根据执行机构的结构布局参数预先确定协调控制方案而无法根据单/跨介质航行模式、外界环境扰动、执行机构失效信息实现控制方法的动态调整，本发明实现了驱动跨介质航行器在外界扰动环境下实现多任务剖面的智能自适应协同控制，达到跨介质航行器空中巡航、水下潜航及跨介质过渡等全运行域整体控制性能最优的有益效果。

本发明提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，包括：

输入所述跨介质航行器的期望运动轨迹；获取所述跨介质航行器的实际运动轨迹；

将所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹作差获取运动轨迹误差，输出运动轨迹误差信号；获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号；基于所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号计算得到控制指令；

基于所述实际运动轨迹获取所述跨介质航行器的实时高度信号，确定所述跨介质航行器所处的任务剖面区域，进而根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式；

根据控制模式切换所述控制指令的输出通道，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩。

其中，将所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹作差，获取所述运动轨迹误差信号，具体包括：

获取所述跨介质航行器的期望位置与实际位置的位置误差信号，获取所述跨介质航行器的期望姿态与实际姿态的姿态误差信号；

基于所述位置误差信号和所述参数估计信号输出控制所述跨介质航行器位置的控制指令；基于所述姿态误差信号和所述参数估计信号输出控制所述跨介质航行器姿态的控制指令，所述跨介质航行器的姿态包括角度和角速度。

其中，所述获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号，包括：

将所述跨介质航行器上各执行机构的控制力和/或力矩以及所述跨介质航行器的实际运动轨迹输入训练好的递归小波模糊神经网络，通过所述递归小波模糊神经网络辨识出不可测参数值，补偿所述不可测参数值的参数估计信号至所述运动轨迹误差信号，从而输出实时的控制指令；

所述训练好的递归小波模糊神经网络根据历史不可测参数值、各执行机构的控制力和/或力矩以及所述跨介质航行器的实际运动轨迹的样本数据集合训练得到。

具体的，为了根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式，以所述跨介质航行器的实时高度信号作为特征参数，确定所述跨介质航行器当前所在的任务剖面区域：

将所述任务剖面区域依次划分为第一单介质区域、跨介质区域和第二单介质区域；

其中，空中与水下的交界面上下任意预设高度内的区域为所述跨介质区域。

具体的，根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式，所述切换规则包括：

基于所述姿态误差信号获取所述跨介质航行器的实时高度信号，若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域，则所述跨介质航行器为介质跨越模式，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，控制所述跨介质航行器完成气/水两相界面的跨越过程；

若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域上边界之上的第一单介质区域，则所述跨介质航行器为巡航控制模式，控制所述跨介质航行器在空中巡航；

若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域下边界之下的第二单介质区域，则所述跨介质航行器为水下潜航控制模式，控制所述跨介质航行器在水下潜航。

具体的，在所述第一单介质区域内以所述第一单介质区域的下边界为底选取预设高度范围的单介质空间为第一过渡区域，当所述跨介质航行器由所述跨介质区域运动至所述第一过渡区域时，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，将所述跨介质航行器从介质跨越模式调整为巡航控制模式；

在所述第二单介质区域内以所述第二单介质区域的上边界为顶选取预设高度范围的单介质空间为第二过渡区域，当所述跨介质航行器由所述跨介质区域运动至所述第二过渡区域时，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，将所述跨介质航行器从介质跨越模式调整为水下潜航控制模式。

基于能量消耗最小的伪逆优化分配策略，根据控制模式切换所述控制指令的输出通道，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩，基于控制力和/或力矩与转速、转角信号的非线性映射输出转速、转角信号至待分配的执行机构；

以转速、转角信号的欧氏范数为优化目标函数进行执行机构的分配，使所述跨介质航行器的能量消耗量最低。

优选的，获取执行机构功能分配的有效性系数矩阵W，根据所述有效性系数矩阵选取有效性系数大于预设阈值的执行机构，从而进行执行机构的分配：

W＝diag(1-k₁,1-k₂,...,1-k_n)；

其中，k_l满足0≤k_l≤1，为对应执行机构的控制力/力矩的失效系数，1-k_l为对应执行机构的控制力/力矩的有效性系数；

任一执行机构的控制力/力矩的失效系数越大，对应的执行机构的有效性系数就越小，当某一执行机构的有效性系数低于预设阈值，则判断该执行机构为故障状态。

另一方面，本发明还提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器的控制系统，包括控制器模块、切换器模块、切换规则模块、执行机构功能分配模块、跨介质航行器以及参数辨识模块；

通过加法器对所述跨介质航行器的期望运动轨迹和实际运动轨迹输入作差，输出运动轨迹误差信号；所述参数辨识模块用于获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号；所述控制器模块接收输入的所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号作为激励信号，并计算得到控制指令；

所述切换规则模块基于所述实际运动轨迹获取所述跨介质航行器的实时高度信号，确定所述跨介质航行器所处的任务剖面区域，进而根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式；

所述切换器模块根据选定的控制模式切换所述控制指令的输出通道，使得控制器模块输出的控制指令输出至所述执行机构功能分配模块，通过所述执行机构功能分配模块分配执行机构，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩。

本发明还提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器，所述跨介质航行器包括：若干组可折叠机翼、任意数量的电源、控制电路以及执行机构，其特征在于，所述跨介质航行器的控制电路搭载有上述任一项所述的应对多任务剖面的跨介质航行器的控制系统；

通过所述控制系统控制所述执行机构的期望控制力和/或力矩，切换所述跨介质航行器的控制模式。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述应对多任务剖面的跨介质航行器的控制方法的步骤。

本发明提供的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，至少具有如下的有益效果：

(1)基于期望运动轨迹与实际运动轨迹作差，从而获取跨介质航行器的运动轨迹误差，获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号，基于所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号计算得到控制指令，既考虑了跨介质航行器的运行位置和姿态，还考虑到了随机翼自主变体、动力学效应突变、风/浪/流环境干扰等恶劣工作环境产生的具有时变性、不可测的附加阻力，弥补了不可测参数导致的跨介质航行器运动的不确定性，使得跨介质航行器在外界扰动环境下实现多任务剖面的智能自适应协同控制；

(2)基于运动轨迹误差从而确定跨介质航行器与期望运动轨迹的运动偏差，从而生成对机翼、马达等执行机构的控制指令，并根据航行器的实时高度确定航行器所在的介质区间，切换适合于当前介质的控制模式，有利于实现多任务剖面的智能自适应协同控制，达到跨介质航行器空中巡航、水下潜航及跨介质过渡等全运行域整体控制性能最优的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明背景技术所述的跨介质航行器的示意图；

图2是本发明提供的应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法的流程示意图；

图3是本发明提供的应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法的神经网络的结构示意图；

图4是本发明提供的应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法的神经网络的跨介质航行器全任务剖面区域划分示意图；

图5是本发明提供的应对多任务剖面的跨介质航行器控制系统的原理示意图；

图6是本发明提供的应对多任务剖面的跨介质航行器控制系统的控制器模块的结构示意图；

附图标记：

1、左右V型尾翼；2、机身；3、左右旋翼(内置电机)；4、尾旋翼(内置电机)；5、倾转机构(内置舵机)；6、机头；7、可折叠机翼。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块。

需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，跨介质飞行器是综合飞机、潜艇优点的新型两栖多功能装备，能在空中和水下循环航行，并执行侦查、警戒等特殊任务和海洋资源探测、搜救、水质检测等民事任务，有重要的军事和民用价值；跨介质航行器需要在空中巡航、水下潜航、并需要在运行过程中频繁完成两种介质下的过渡，为避免出/入水介质跨越时的大冲击载荷对航行器机械结构的冲击影响，通常在这类机体上引入了构型可变的机翼结构来模仿鸟类收掠翅膀，以减小航行器跨介质时的冲击阻力。

具体的，结合空中/水面/水下的多任务剖面特点，本发明给出的应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法适用于任意跨介质航行器，该类航行器的整体结构如图1所示，跨介质航行器系统的整体结构主要包括用来安装电源、控制元件和传感元件的机身、机头、空中/水下航行和出/入水面时转换的左右可折叠机翼及左右旋翼(内置电机)和左右倾转机构(内置舵机)、左右V型尾翼和尾旋翼(内置电机)；

需要说明的是，此处描述的跨介质航行器的结构仅为本发明实施例中的一种应用载体，而不是对本发明的进一步限定，实质上跨介质航行器只要具有对应的机体结构、多个执行机构、对应的电控单元即可基于本发明提供的方法对该跨介质航行器的控制模型进行切换，根据控制模式自适应的分配对应的执行机构，例如：

所述的航行器整体结构布局中，前侧的左右倾转机构通过电机底座将倾转舵机与左右旋翼电机相连，可同时改变左右旋翼的旋转速度和方向，而尾旋翼只能通过内置电机改变旋翼的旋转速度。因此，跨介质航行器通过倾转机构里的内置舵机及左右旋翼和尾旋翼中的内置电机来实现航行器旋翼模式下的运动姿态控制，与普通多旋翼无人机的操纵原理相似，可实现空中平飞、加速、悬停等动作。

具体来说，当旋翼轴线与水平方向呈90°时，航行器处于旋翼模式，左右旋翼和尾旋翼同时为航行器提供垂直方向的升力；当旋翼轴线与水平方向呈0°时，航行器处于固定翼模式，左右旋翼为航行器提供前进方向的拉力，尾旋翼停转不工作，垂直方向的升力来源于可折叠机翼上下表面的压差，通过左右V型尾翼来调整航行姿态；入水时两侧的可折叠机翼折叠收缩，减小入水时的截面积和冲击力，此后航行器处于潜航模式下，直接调用旋翼模式下的控制策略，即通过改变左右旋翼内置电机的转速和倾转机构内置舵机的转角，配合尾旋翼内置电机转速调节来控制航行器水下潜航的运动姿态。

作为示例的，在跨介质航行器空中巡航、出/入水过渡、水下潜航多任务剖面的执行过程中，经历旋翼构型—过渡构型—固定翼构型—过渡构型—旋翼构型—机翼折叠等多个阶段；

初始状态下航行器以旋翼构型离地起飞，此时左右旋翼和尾旋翼均竖直向上，待航行器在空中达到一定的安全飞行高度后，调整航行器由旋翼构型进入过渡构型加速模式，即前侧左右两个旋翼开始经过内置舵机实现前倾，保持航行器机体稳定并调节左右两个旋翼的电机转速以增加前飞速度，待左右两个旋翼完全前倾时进入固定构型巡航模式；

执行完空中巡航任务后，航行器转入过渡构型减速模式，即左右两个旋翼由完全前倾状态向竖直状态过渡，此时调节左右两个旋翼的电机转速以减小前飞速度，待左右两个旋翼完全处于竖直状态时，航行器进入旋翼构型降落飞行模式，左右旋翼和尾旋翼的内置电机转速减小以实现平稳降落。

如图2所示，针对跨介质航行器单介质/跨介质运行控制特性突变、出/入水过程存在载荷冲击参数不可测等复杂控制难题，本发明提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，用于实现上述的控制跨介质航行器在多任务剖面内跨介质进行工作，以应对恶劣工作环境下航行器多任务剖面的高可靠协同控制需求，具体包括：

输入所述跨介质航行器的期望运动轨迹；获取所述跨介质航行器的实际运动轨迹；

将所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹作差获取运动轨迹误差，输出运动轨迹误差信号；获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号；基于所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号计算得到控制指令；

基于所述实际运动轨迹获取所述跨介质航行器的实时高度信号，确定所述跨介质航行器所处的任务剖面区域，进而根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式；

根据控制模式切换所述控制指令的输出通道，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩；

具体的，将输出的期望控制力和/或力矩映射为包括但不限于左右可折叠机翼、左右旋翼、左右倾转机构、左右V型尾翼和尾旋翼等执行机构的转速和转角信号，从而驱动跨介质航行器在外界扰动环境下实现多任务剖面的智能自适应协同控制；

其中，将所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹作差，获取所述运动轨迹误差信号，具体包括：

获取所述跨介质航行器的期望位置与实际位置的位置误差信号，获取所述跨介质航行器的期望姿态与实际姿态的姿态误差信号；

基于所述位置误差信号和所述参数估计信号输出控制所述跨介质航行器位置的控制指令；基于所述姿态误差信号和所述参数估计信号输出控制所述跨介质航行器姿态的控制指令，所述跨介质航行器的姿态包括角度和角速度。

可选的，考虑到跨介质航行器入水和出水过程涉及航行器与流体介质的耦合作用、跨越介质时的载荷突变、姿态变化的瞬时失稳等问题，同时伴随着机翼自主变体、动力学效应突变、风/浪/流环境干扰等恶劣工作环境，容易产生具有时变性、不可测的附加阻力，且附加阻力随着水体剥落呈现非均匀、非对称减小的趋势，增加出/入水过程的随机性和不可控性，需要获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号，包括：

将所述跨介质航行器上各执行机构的控制力和/或力矩以及所述跨介质航行器的实际运动轨迹输入训练好的递归小波模糊神经网络，通过所述递归小波模糊神经网络辨识出不可测参数值，补偿所述不可测参数值的参数估计信号至所述运动轨迹误差信号，从而输出实时的控制指令；

所述训练好的递归小波模糊神经网络根据历史不可测参数值、各执行机构的控制力和/或力矩以及所述跨介质航行器的实际运动轨迹的样本数据集合训练得到；

其中，如图3所示，所述递归小波模糊神经网络包括输入层、隶属函数层、规则层、小波及后件层以及输出层5层网络，其网络拓扑结构如图3所示，其中，输入层包括控制力/力矩信号与实际轨迹信号两类网络节点，小波层加入递归结构以增强其动态映射和信息存储能力，输出层即为冲击载荷、附加阻力等不可测参数的在线估计值；

利用控制力/力矩信号与实际轨迹信号的驱动和不可测参数估计误差的反向传播，递归小波模糊神经网络可以在线辨识出不可测参数值，补偿附加质量与诱导阻力不可测导致的跨介质航行器运动的不确定性。

具体的，为了根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式，以所述跨介质航行器的实时高度信号作为特征参数，确定所述跨介质航行器当前所在的任务剖面区域：

将所述任务剖面区域依次划分为第一单介质区域、跨介质区域和第二单介质区域；

其中，空中与水下的交界面上下任意预设高度内的区域为所述跨介质区域。

具体的，根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式，所述切换规则包括：

基于所述姿态误差信号获取所述跨介质航行器的实时高度信号，若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域，则所述跨介质航行器为介质跨越模式，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，控制所述跨介质航行器完成气/水两相界面的跨越过程；

若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域上边界之上的第一单介质区域，则所述跨介质航行器为巡航控制模式，控制所述跨介质航行器在空中巡航；

若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域下边界之下的第二单介质区域，则所述跨介质航行器为水下潜航控制模式，控制所述跨介质航行器在水下潜航。

具体的，在所述第一单介质区域内以所述第一单介质区域的下边界为底选取预设高度范围的单介质空间为第一过渡区域，当所述跨介质航行器由所述跨介质区域运动至所述第一过渡区域时，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，将所述跨介质航行器从介质跨越模式调整为巡航控制模式；

在所述第二单介质区域内以所述第二单介质区域的上边界为顶选取预设高度范围的单介质空间为第二过渡区域，当所述跨介质航行器由所述跨介质区域运动至所述第二过渡区域时，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，将所述跨介质航行器从介质跨越模式调整为水下潜航控制模式。

在一个具体的实施例中，以跨介质航行器的高(深)度信号作为特征参数，设计控制信道在线切换规则以实现单介质运行域至跨介质运行域的切换稳定性，具体包括：

高(深)度方向上的运动信号是划分跨介质航行器单介质运行域与跨介质运行域的特征参数，如图4所示，沿该方向将跨介质航行器的全任务剖面划分为空气中自由巡航区域、介质跨越区域、水体中自由潜航区域；

空气中自由巡航区域即所述第一单介质区域、介质跨越区域即所述跨介质区域、水体中自由潜航区域即所述第二单介质区域；

进一步的，设z＝0为空中与水下的交界面，取高度区间z∈[-ε_w,ε_a)为跨介质运行区域，其他为单介质运行区域；此外，分别在跨介质区域附近额外选取高度范围为δ_a、δ_w的单介质空间作为过渡区域，供航行器在出/入水跨越前后进行准备和调整，从而避免控制模式切换过程中在单介质区域与跨介质区域交界面处发生的高频抖动现象；其中，过渡区域的本质仍然属于单介质运行区域；

跨介质航行器全任务剖面的区域划分判断准则如下：

根据跨介质航行器全任务剖面的区域划分判断准则，以航行器的实时高(深)度反馈信号作为驱动信号，切换规则σ(t)如下：

该切换规则只依赖于航行器的高(深)度信号的瞬时反馈值，且该驱动信号为跨介质航行器实时运行姿态输出信号的一个分量，即本发明设计的σ(t)属于离散事件驱动的输出反馈切换规则；

将驱动信号z(t)的变化范围分割成3个相互无交集的集合，既合理描述航行器的不同高(深)度信号所对应的工作空间，又能够保证在任意时刻切换规则σ(t)严格右连续；

在跨介质航行器的实际工作过程中，当σ(t)＝0时，航行器处于水下潜航控制模式；当σ(t)＝1时，航行器处于控制巡航控制模式；当σ(t)＝2时，航行器处于介质跨越控制模式。

根据选取的控制模式，将期望控制力/力矩转化为左右可折叠机翼、左右旋翼、左右倾转机构、左右V型尾翼和尾旋翼等执行机构的转速和转角信号，从而完成模式的切换；

进一步，由于大多数的跨介质航行器具有多套执行机构，属于执行机构冗余的过驱动系统，需要结合执行机构的安装位置、结构参数和优化目标函数来实现期望控制力/力矩作用的协调分配，通过转速/转角信号与控制力/力矩的非线性映射，转换为跨介质航行器可接受的电机转速信号与舵机转角信号；

基于能量消耗最小的伪逆优化分配策略，根据控制模式切换所述控制指令的输出通道，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩，基于控制力和/或力矩与转速、转角信号的非线性映射输出转速、转角信号至待分配的执行机构；

以转速、转角信号的欧氏范数为优化目标函数进行执行机构的分配，使所述跨介质航行器的能量消耗量最低；

优选的，获取执行机构功能分配的有效性系数矩阵W，根据所述有效性系数矩阵选取有效性系数大于预设阈值的执行机构，从而进行执行机构的分配：

W＝diag(1-k₁,1-k₂,...,1-k_n)；

其中，k_l满足0≤k_l≤1，为对应执行机构的控制力/力矩的失效系数，1-k_l为对应执行机构的控制力/力矩的有效性系数；

任一执行机构的控制力/力矩的失效系数越大，对应的执行机构的有效性系数就越小，当某一执行机构的有效性系数低于预设阈值，则判断该执行机构为故障状态；

通过对故障执行机构施加相应的惩罚作用，以降低或限制故障执行机构的优先作用等级，即执行机构控制力/力矩的失效系数越大，其对应的优先作用等级越低。当某一执行机构的控制力/力矩完全失效时，该执行机构被限制使用。基于设计的伪逆优化分配策略，可以实现跨介质航行器冗余执行机构正常运行和部分失效模式下的能耗最小化。

另一方面，本发明还提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器的控制系统，下文描述的控制系统与上文描述的控制方法可相互对应参照，具体包括控制器模块、切换器模块、切换规则模块、执行机构功能分配模块、跨介质航行器以及参数辨识模块；

通过加法器对所述跨介质航行器的期望运动轨迹和实际运动轨迹输入作差，输出运动轨迹误差信号；所述参数辨识模块用于获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号；所述控制器模块接收输入的所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号作为激励信号，并计算得到控制指令；

所述切换规则模块基于所述实际运动轨迹获取所述跨介质航行器的实时高度信号，确定所述跨介质航行器所处的任务剖面区域，进而根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式；

所述切换器模块根据选定的控制模式切换所述控制指令的输出通道，使得控制器模块输出的控制指令输出至所述执行机构功能分配模块，通过所述执行机构功能分配模块分配执行机构，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩；

在一个实例中，如图5-6所示的，为本发明提供的一种应对多任务剖面的跨介质航行器的控制方法及系统的原理图，其中：

跨介质航行器的期望运动轨迹与实际运动轨迹同时输入到加法器作差，加法器输出的运动轨迹误差信号和参数辨识模块输出的参数估计信号作为三个控制器模块(空中巡航控制器、介质跨越控制器和水下潜航控制器)的激励信号，激励三个控制器模块计算得到控制指令(即期望控制力/力矩)，同时选择航行器深(高)度信号为特征参数并输入到离散事件驱动的切换规则模块，切换规则模块输出的切换指令激活切换器的相应输出通道和控制器模块，相应控制器模块输出的控制指令输入到执行机构功能分配模块，将控制器输出的期望控制力/力矩映射为可折叠机翼、旋翼、倾转机构、尾翼和尾旋翼等执行机构的转速和转角信号，最终驱动跨介质航行器在外界扰动环境下实现多任务剖面的智能自适应协同控制，达到跨介质航行器空中巡航、水下潜航及跨介质过渡等全运行域整体控制性能最优的有益效果；

具体的，控制器的结构如图6所示，三个控制器模块(空中巡航控制器、介质跨越控制器和水下潜航控制器)包括外环位置控制和内环的姿态控制，基于期望位置和实时位置通过加法器作差的结果生成位置的控制信号，基于期望姿态和实时姿态通过加法器作差的结果生成姿态的控制信号，姿态包括角度和角速度。

本发明还提供一种应对多任务剖面的跨介质航行器，所述跨介质航行器包括：若干组可折叠机翼、任意数量的电源、控制电路以及执行机构，本发明对跨介质航行器的结构不作限定，本发明提供的所述跨介质航行器的控制电路搭载有上述任一项提供的所述应对多任务剖面的跨介质航行器的控制系统；该控制系统以及搭载有该系统的跨介质航行器与上文描述的控制方法可相互对应参照，

通过所述控制系统控制所述执行机构的期望控制力和/或力矩，切换所述跨介质航行器的控制模式。

本发明还提供一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(CommunicationsInterface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行上述方法所提供的应对多任务剖面的跨介质航行器的控制方法的步骤。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的应对多任务剖面的跨介质航行器的控制方法的步骤

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法所提供的应对多任务剖面的跨介质航行器的控制方法的步骤。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，包括：

输入所述跨介质航行器的期望运动轨迹；获取所述跨介质航行器的实际运动轨迹；

将所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹作差获取运动轨迹误差，输出运动轨迹误差信号；获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号；基于所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号计算得到控制指令；

基于所述实际运动轨迹获取所述跨介质航行器的实时高度信号，确定所述跨介质航行器所处的任务剖面区域，进而根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式；

根据控制模式切换所述控制指令的输出通道，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩。

2.根据权利要求1所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，将所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹作差，获取所述运动轨迹误差信号，包括：

获取所述跨介质航行器的期望位置与实际位置的位置误差信号，获取所述跨介质航行器的期望姿态与实际姿态的姿态误差信号；

基于所述位置误差信号和所述参数估计信号输出控制所述跨介质航行器位置的控制指令；基于所述姿态误差信号和所述参数估计信号输出控制所述跨介质航行器姿态的控制指令，所述跨介质航行器的姿态包括角度和角速度。

3.根据权利要求2所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，所述获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号，包括：

将所述跨介质航行器上各执行机构的控制力和/或力矩以及所述跨介质航行器的实际运动轨迹输入训练好的递归小波模糊神经网络，通过所述递归小波模糊神经网络辨识出不可测参数值，补偿所述不可测参数值的参数估计信号至所述运动轨迹误差信号，从而输出实时的控制指令；

所述训练好的递归小波模糊神经网络根据历史不可测参数值、各执行机构的控制力和/或力矩以及所述跨介质航行器的实际运动轨迹的样本数据集合训练得到。

4.根据权利要求2所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，以所述跨介质航行器的实时高度信号作为特征参数，确定所述跨介质航行器当前所在的任务剖面区域：

将所述任务剖面区域依次划分为第一单介质区域、跨介质区域和第二单介质区域；

其中，空中与水下的交界面上下任意预设高度内的区域为所述跨介质区域。

5.根据权利要求4所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式，所述切换规则包括：

基于所述姿态误差信号获取所述跨介质航行器的实时高度信号，若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域，则所述跨介质航行器为介质跨越模式，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，控制所述跨介质航行器完成气/水两相界面的跨越过程；

若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域上边界之上的第一单介质区域，则所述跨介质航行器为巡航控制模式，控制所述跨介质航行器在空中巡航；

若判断所述跨介质航行器处于所述跨介质区域下边界之下的第二单介质区域，则所述跨介质航行器为水下潜航控制模式，控制所述跨介质航行器在水下潜航。

6.根据权利要求5所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，在所述第一单介质区域内以所述第一单介质区域的下边界为底选取预设高度范围的单介质空间为第一过渡区域，当所述跨介质航行器由所述跨介质区域运动至所述第一过渡区域时，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，将所述跨介质航行器从介质跨越模式调整为巡航控制模式；

在所述第二单介质区域内以所述第二单介质区域的上边界为顶选取预设高度范围的单介质空间为第二过渡区域，当所述跨介质航行器由所述跨介质区域运动至所述第二过渡区域时，调整所述跨介质航行器的机翼和航行姿态，将所述跨介质航行器从介质跨越模式调整为水下潜航控制模式。

7.根据权利要求2或6所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，根据控制模式切换所述控制指令的输出通道，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩，基于控制力和/或力矩与转速、转角信号的非线性映射输出转速、转角信号至待分配的执行机构；

以转速、转角信号的欧氏范数为优化目标函数进行执行机构的分配，使所述跨介质航行器的能量消耗量最低。

8.根据权利要求7所述的一种应对多任务剖面的跨介质航行器控制方法，其特征在于，进行执行机构的分配，还包括：

获取执行机构功能分配的有效性系数矩阵，根据所述有效性系数矩阵选取有效性系数大于预设阈值的执行机构：

W＝diag(1-k₁,1-k₂,...,1-k_n)；

其中，k_l满足0≤k_l≤1，为对应执行机构的控制力/力矩的失效系数，1-k_l为对应执行机构的控制力/力矩的有效性系数；

任一执行机构的控制力/力矩的失效系数越大，对应的执行机构的有效性系数就越小，当某一执行机构的有效性系数低于预设阈值，则判断该执行机构为故障状态。

9.一种应对多任务剖面的跨介质航行器的控制系统，其特征在于，包括控制器模块、切换器模块、切换规则模块、执行机构功能分配模块、跨介质航行器以及参数辨识模块；

通过加法器对所述跨介质航行器的期望运动轨迹和实际运动轨迹输入作差，输出运动轨迹误差信号；所述参数辨识模块用于获取跨介质航行器的不可测参数的参数估计信号；所述控制器模块接收输入的所述运动轨迹误差信号和所述参数估计信号作为激励信号，并计算得到控制指令；

所述切换规则模块基于所述实际运动轨迹获取所述跨介质航行器的实时高度信号，确定所述跨介质航行器所处的任务剖面区域，进而根据预设的切换规则切换所述跨介质航行器的控制模式；

所述切换器模块根据选定的控制模式切换所述控制指令的输出通道，使得控制器模块输出的控制指令输出至所述执行机构功能分配模块，通过所述执行机构功能分配模块分配执行机构，将控制指令输出至所述控制模式对应的执行机构，通过所述控制指令控制对应的执行机构的期望控制力和/或力矩。

10.一种应对多任务剖面的跨介质航行器，所述跨介质航行器包括：若干组可折叠机翼、任意数量的电源、控制电路以及执行机构，其特征在于，所述跨介质航行器的控制电路搭载有基于权利要求9所述的应对多任务剖面的跨介质航行器的控制系统；

通过所述控制系统控制所述执行机构的期望控制力和/或力矩，切换所述跨介质航行器的控制模式。

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