水上无人机水面自主操纵控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水上无人机水面自主操纵控制方法和系统，方法包括：变参数PID控制器接收纵倾角指令和纵倾角的纵倾角误差，然后根据所述纵倾角误差计算得到俯仰角速率指令并输出给内环动态逆控制器；内环动态逆控制器分别接收速度指令和俯仰角速率指令，然后计算得到油门指令标称值和升降舵指令标称值；内环扩展状态观测器接收油门指令、升降舵指令和水上无人机内环状态变量，并计算得到油门干扰当量估计值和升降舵干扰当量估计值；水上无人机动力学模块接收油门指令和升降舵指令，并根据油门指令和升降舵指令计算得到水上无人机内环状态变量和纵倾角。本发明专利技术在不需要提前知道海情信息的情况下，实现在宽速域下的姿态控制精度要求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种水上无人机水面自主操纵控制方法和系统，方法包括：变参数PID控制器接收纵倾角指令和纵倾角的纵倾角误差，然后根据所述纵倾角误差计算得到俯仰角速率指令并输出给内环动态逆控制器；内环动态逆控制器分别接收速度指令和俯仰角速率指令，然后计算得到油门指令标称值和升降舵指令标称值；内环扩展状态观测器接收油门指令、升降舵指令和水上无人机内环状态变量，并计算得到油门干扰当量估计值和升降舵干扰当量估计值；水上无人机动力学模块接收油门指令和升降舵指令，并根据油门指令和升降舵指令计算得到水上无人机内环状态变量和纵倾角。本专利技术在不需要提前知道海情信息的情况下，实现在宽速域下的姿态控制精度要求。【专利说明】水上无人机水面自主操纵控制方法及系统
本专利技术属于飞行控制领域，尤其涉及一种水上无人机水面操纵控制方法及系统。
技术介绍
我国是一个海洋大国，有18000多千米的海岸线，6500多个岛屿，300万平方千米海疆。水上无人机是能在水面上起飞、降落和停泊的飞机，按机身机构形状可以分为船身式、浮筒式和两栖式。水上无人机由于其独特的水上起降和水面驻留作业能力，表现出极为广泛的用途，如海洋调查、海洋勘探、海洋开发、海上运输、海上生产和海洋旅游服务等活动日益频繁，、森林与城市灭火、防洪防灾、海上搜索与救护、海上缉私缉毒等领域的作业。 水上无人机最独特的问题就是水面自主起降控制问题，抗浪性是衡量水上无人机最重要的技术指标之一。同时海面海风、海流和海浪具有不确定性，起飞着陆点的海况也在不断变化。因此在一定海清等级下抵抗海浪干扰完成自主起飞控制是水上无人机的一项关键技术。 水上无人机起飞是一个加速过程。为了迅速加速到起飞离水速度，飞机需要在海浪干扰情况下，保持良好的穿浪姿态，避免在海浪作用下纵倾运动过于剧烈，损耗飞机动能。在海浪干扰下有效保持相对稳定的纵倾角是水上飞机起飞的重要条件。 因此水上无人机自主起飞控制的关键就转化为在海浪干扰下纵倾角保持问题，其中的控制问题是有界未知不确定干扰下的姿态控制。对于小型水上无人机由于无法检测海浪信息，因此只能在一定海情条件下，通过飞机姿态的闭环控制克服海浪干扰带来的不确定性，实现水上无人机的稳定穿浪，改善水上无人机的波面加速能力，增强在未知海情水域的自主作业能力。
技术实现思路
为满足在一定海情等级以下的未知水域进行自主起飞的控制需求，本专利技术的目的是提供一种水上无人机水面自主操纵控制方法，进行有界未知不确定海浪干扰下的水上无人机姿态控制。 为实现上述目的，本专利技术提供了一种水上无人机水面自主操纵控制方法，其特征在于，包括: 变参数PID控制器接收纵倾角指令θ-和纵倾角Θ的纵倾角误差Qe，然后根据所述纵倾角误差Θ e计算得到俯仰角速率指令q-并输出给内环动态逆控制器；所述纵倾角误差为所述纵倾角指令θ-和纵倾角Θ的差； 内环动态逆控制器分别接收速度指令Vrand和俯仰角速率指令qMd，然后计算得到油门指令标称值Sthtl和升降舵指令标称值Se0; 内环扩展状态观测器接收油门指令Sth、升降舵指令66和水上无人机内环状态变量X= T，并计算得到油门干扰当量估计值Ztl和升降舵干扰当量估计值Z1;所述油门指令Sth是所述内环动态逆控制器输出的油门指令标称值δ_和前一时刻油门干扰当量估计值Ztl的差值，所述升降舵指令S e是所述内环动态逆控制器输出的升降舵指令标称值δ e0与前一时刻所述升降舵干扰当量估计值Z1的差值； 水上无人机动力学模块接收油门指令δ th和升降舵指令δ e，并根据油门指令δ th和升降舵指令\计算得到水上无人机内环状态变量X= T和纵倾角Θ，所述水上无人机内环状态变量X= T输出给内环扩张状态观测器；所述纵倾角Θ用于计算纵倾角误差Θ eo 本专利技术还提供了一种水上无人机水面自主操纵控制系统，其特征在于，包括: 变参数PID控制器，接收纵倾角指令θ-和纵倾角Θ的纵倾角误差，然后根据所述纵倾角误差Θ e计算得到俯仰角速率指令q-并输出给内环动态逆控制器；所述纵倾角误差为所述纵倾角指令θ-和纵倾角Θ的差； 内环动态逆控制器，分别接收速度指令Vemd和俯仰角速率指令qemd，然后计算得到油门指令标称值Sthci和升降舵指令标称值Se0; 内环扩展状态观测器，接收油门指令δ th、升降舵指令δ e和水上无人机内环状态变量X= T，并计算得到油门干扰当量估计值Ztl和升降舵干扰当量估计值Z1;所述油门指令Sth是所述内环动态逆控制器输出的油门指令标称值δ_和前一时刻油门干扰当量估计值Ztl的差值，所述升降舵指令S e是所述内环动态逆控制器输出的升降舵指令标称值δ e0与前一时刻所述升降舵干扰当量估计值Z1的差值； 水上无人机动力学模块，接收油门指令Sth和升降舵指令δε，并根据油门指令Sth和升降舵指令\计算得到水上无人机内环状态变量X= T和纵倾角Θ，所述水上无人机内环状态变量X= T输出给内环扩张状态观测器；所述纵倾角Θ用于计算纵倾角误差Θ e。 本专利技术具有的积极效果: (I)不需要提前知道海情信息，采用扩张状态观测器实时估计海浪干扰并进行有效补偿，可以实现在一定海情等级以下的未知水域有效稳定地自主起飞。 (2)采用速度适应的控制参数调整机制，可以实现在宽速域下的姿态控制精度要求。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术中水上无人机水面自主操纵控制方法原理图； 图2(a)示出了本专利技术中水上无人机纵倾角指令随速度进行自动调整的曲线示意图； 图2 (b)示出了本专利技术中变参数PID控制器参数随速度进行自动调整的曲线示意图； 图3是本专利技术中水上无人机动力学模型的结构框架图； 图4是本专利技术中内环动态逆控制器结构框架示意图； 图5是本专利技术中内环扩展状态观测器的结构框架图。 【具体实施方式】 下面将结合附图对本专利技术加以详细说明，具体实施例如下所述: 图1为本专利技术提出的水上无人机水面自主操纵控制装置结构示意图。如图1所示，其包括变参数PID控制器1、内环动态逆控制器2、内环扩展状态观测器3和水上无人机动力学模型4。Θ cmd为纵倾角指令，用于形成水上无人机纵向控制的目标值；Θ为纵倾角，用于形成纵向控制的角度测量值；纵倾角误差Θ e，用于形成纵向控制角度跟踪的信号输入；Vcmd为速度指令，用于形成水面速度控制的目标值；q-为俯仰角速率指令，用于形成俯仰角速率跟踪控制的目标值；S th，δ e分别为油门指令和升降舵指令，用于发动机和升降舵舵机的控制指令；δ th0, δ e0分别为油门指令标称值和升降舵指令标称值，用于表示无干扰情况下的油门和升降舵指令.，ζ0, Z1分别为油门干扰当量和升降舵干扰当量估计值，用于干扰情况下油门和升降舵指令的补偿；X= T为水上无人机内环状态变量，V为水上飞机速度，Q为俯仰角速率，V, q分别为水上飞机速度和俯仰角的测量值。 水上无人机水面自主操纵控制方法的原理是:变参数PID控制器I主要用于纵倾角的姿态控制，实时计算ΘΜ(ΓΘ得到纵倾角误差Θ 并经过PID控制方法输出俯仰角速率指令，该指令包括俯仰角速率的期望值q-;内环动态逆控制器2采用动态逆的非线性控制方法，对于水上无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水上无人机水面自主操纵控制方法，其特征在于，包括：变参数PID控制器接收纵倾角指令θcmd和纵倾角θ的纵倾角误差θe，然后根据所述纵倾角误差θe计算得到俯仰角速率指令qcmd并输出给内环动态逆控制器；所述纵倾角误差θe为所述纵倾角指令θcmd和纵倾角θ的差；内环动态逆控制器分别接收速度指令Vcmd和俯仰角速率指令qcmd，然后计算得到油门指令标称值δth0和升降舵指令标称值δe0；内环扩展状态观测器接收油门指令δth、升降舵指令δe和水上无人机内环状态变量X＝[V q]T，并计算得到油门干扰当量估计值z0和升降舵干扰当量估计值z1；所述油门指令δth是所述内环动态逆控制器输出的油门指令标称值δth0和前一时刻油门干扰当量估计值z0的差值，所述升降舵指令δe是所述内环动态逆控制器输出的升降舵指令标称值δe0与前一时刻所述升降舵干扰当量估计值z1的差值；水上无人机动力学模块接收油门指令δth和升降舵指令δe，并根据油门指令δth和升降舵指令δe计算得到水上无人机内环状态变量X＝[V q]T和纵倾角θ，所述水上无人机内环状态变量X＝[V q]T输出给内环扩张状态观测器；所述纵倾角θ用于计算纵倾角误差θe。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范国梁，易建强，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11