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

本发明专利技术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。实现航向欠驱动控制。实现航向欠驱动控制。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及水下滑翔机
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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：
[0004](1)长续航能力：持续工作时间长、巡航范围广；
[0005](2)能量来源广：海洋层面温差、洋流；
[0006](3)环保型：低噪声、无污染。

技术实现思路

[0007]要解决的技术问题
[0008]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。本专利技术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。
[0009]具体包括以下步骤：
[0010]步骤1：基于目标航向计算横滚角控制指令：
[0011]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分别为根据算法(1)计算
[0012][0013]根据算法(2)计算并输出
[0014][0015]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)：
[0016][0017]其中，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
[0018][0019]式中，d＝σh0，d0＝h0d，y＝x1+h0x2，
[0020]步骤3：根据非线性PD控制离散算法(5)计算控制输出u0(k)
[0021]u0(k)＝β1fal(e1(k),λ1,ξ)+β2fal(e2(k),λ2,ξ)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0022]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
[0023][0024]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；
[0025]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：
[0026][0027]式中，
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034]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；
[0035]M
b
表示包括附加质量在内的惯性质量矩阵，表示为
[0036][0037]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
[0038][0039]F
HJ
＝0
ꢀꢀꢀ
(9
‑
2)
[0040][0041]M
HI
＝
‑
r4·
Kpn
·
u
·
p+r3·
u3·
Kpr+r3·
u2·
Kdb
·
δ
d
ꢀꢀꢀ
(9
‑
4)
[0042][0043][0044]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。
[0045]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
[0046][0047]式中，式中，式中，式中，
[0048]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
[0049][0050]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，
[0051][0052]式中，ψ(k)表示水下滑翔机实际横滚角，ξ、β
01
、β
02
和β
03
为观测器参数。
[0053]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。
[0054][0055]式中，
[0056]有益效果
[0057]本专利技术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，实现飞翼布局水下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，式中，式中，式中，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
＝0F
HK
＝
‑
r3·
Zqn
·
u
·
q
‑
r2·
Zwn
·
u
·
w+(r2·
u2·
Zds+r2·
Zdsn
·
u2)δ
s
+r2·
u2·
Zdb
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，陈依民，潘光，宋保维，曹永辉，张福斌，彭星光，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：