一种水下航行器制导控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水下航行器制导控制方法及系统，所述方法包括：建立水下航行器制导控制一体化模型；构造全局滑模函数；建立事件触发控制器，利用所述全局滑模函数计算控制信号，判断事件触发控制器是否满足触发条件，若满足触发条件则更新直舵控制指令。本发明专利技术的优势在于：本发明专利技术的方法利用利用全局滑模函数对控制器进行设计，可以使视线角速度误差有限时间内收敛至零点附近，实现水下航行器对来袭目标的拦截，减小通信、执行器操纵的次数，节约系统资源，并提高控制精度。本发明专利技术能够使水下航行器事件触发制导控制一体化系统有限时间收敛，加快航行器响应速度，提高拦截概率。提高拦截概率。提高拦截概率。

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器制导控制方法及系统


[0001]本专利技术属于水下航行器控制领域，具体涉及一种水下航行器制导控制方法及系统。

技术介绍

[0002]当进行水下目标打击、拦截任务时，水下航行器需要面临包括外界未知海浪/海流干扰、恶劣的水声条件在内复杂多变的海洋环境，为水下航行器实现对目标的精确命中带来了挑战，主要表现为如下方面：首先，水下航行器在复杂的水下环境中航行，严苛的海洋环境将会对系统的正常运行带来不确定干扰，使系统的稳定性受到影响；同时，由于来袭目标航速高、机动性强，可供拦截的时间很短，如果不考虑系统的滞后，将会导致脱靶量较大，造成拦截任务的失败。因此，为了实现对目标的成功拦截，需要水下航行器的制导控制系统具有较快的响应速度，且能够对外界干扰具有鲁棒性。
[0003]为了使水下航行器成功命中目标，经典的制导控制方法是将制导系统与控制系统视作两个独立的系统，制导系统根据水下航行器与目标的相对运动关系，计算出所需要的制导指令；控制系统产生实际的舵令使水下航行器跟踪制导指令。上述方法只利用了各自系统的信息，忽略了制导控制系统之间的耦合性。由于制导回路与控制回路之间存在很强的耦合和关联，当水下航行器与目标相对距离较近时姿态变化剧烈，会引起响应滞后的问题，导致脱靶量较大，命中精度变差，该问题在弹道末端尤为突出。为了提高命中精度，充分发挥水下航行器的目标打击能力，制导控制一体化设计方法近年来得到了广泛的关注。制导控制一体化方法的思路是将制导与控制系统作为一个整体，利用相对运动关系和模型动态特性直接产生控制指令。由于制导控制一体化方法考虑了制导系统和控制系统之间的耦合关系，使航行器对目标打击的命中精度以及快速性均能够得到提高并增加命中概率。
[0004]制导控制一体化设计方法充分考虑了制导系统和控制系统之间的耦合关系，得到了广泛研究与关注，已成功用于空间飞行器制导控制领域，并且在水下航行器领域也有了初步的研究结果。目前，制导控制一体化控制方法多集中于使系统渐近收敛于平衡点，理论上收敛时间无穷大，对实际问题没有意义，因此需要提高控制系统的实时性，加快收敛速度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术计算水下航行器受外界干扰时收敛时间过长，无法满足实际航行所需计算时间的缺陷。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种水下航行器制导控制方法，所述方法包括：
[0007]步骤1：建立水下航行器制导控制一体化模型；
[0008]步骤2：构造全局滑模函数；
[0009]步骤3：建立事件触发控制器，利用所述全局滑模函数计算控制信号，判断事件触发控制器是否满足触发条件，若满足触发条件则更新直舵控制指令。
[0010]作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体包括：
[0011]建立水下航行器制导控制一体化模型如下：
[0012][0013][0014][0015]其中，定义大地坐标系下北向为x轴，东向为y轴；基准线x
o
平行于x轴且与x 轴的正向同方向；
[0016]状态变量状态变量x2＝β，状态变量x3＝ω
y
；各参数定义为：
[0017][0017][0017][0018]其中，r为水下航行器与目标的相对距离，为r的一阶时间导数；β为水下航行器侧滑角，ω
y
为水下航行器旋转角速度；v
A
为水下航行器的速度矢量；K
J
为转动惯量；常数K
zβ
，K
zδ
，K
zω
，K
myβ
，K
myδ
，K
myω
为各变量之间的相关系数；常数λ
33
、λ
35
为流体动力系数；常数T为水下航行器纵轴方向所受推力；δ
r
为直舵控制指令；视线角q为目标的瞄准线与攻击平面内基准线x
o
的夹角；
[0019]常数其中，m为水下航行器质量；
[0020]Δ
q
为水下航行器受到的干扰，定义为：
[0021][0022]其中，σ
A
与σ
T
分别为水下航行器、目标速度矢量与基准线之间的夹角，为σ
A
的一阶时间导数，为σ
T
的一阶时间导数；v
T
为目标的速度矢量；
[0023]控制目标为设计直舵控制指令δ
r
的事件触发器，使水下航行器制导控制一体化模型的状态变量x1收敛至一个关于零点的可调残集内。
[0024]作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：
[0025]建立全局滑模函数s(x,t)：
[0026][0027]其中，t为时间，误差信号常数c
i
>0，i＝1,2；参数c
i
使特征方程P2+c2P+c1＝0的所有解均具有负实部特征根，P为拉普拉斯算子；
[0028]非线性时间函数s0(t)通过下式构造：
[0029][0030]其中，给定设计参数A1、B1、B2、B3(B2≠B3)，对下式求解得到设计参数t
f
：
[0031][0032]作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体包括：
[0033]建立事件触发控制器为：
[0034][0035]其中，为控制信号，t表示时间；在t＝t
k
时刻的值为
[0036][0037]其中，设计参数：常数k
vs
＞0，k
s
＞0，0＜α
s
＜1；常数表示|Δ
q
|的最大值； sign(
·
)为变量
·
的符号函数；
[0038]事件触发条件设计为：
[0039][0040]其中，Δ为测量误差，Δ为测量误差，表示记录控制器触发时刻的下标，设计参数C,D,Γ＞0为常数，0＜δ＜1为常数；inf表示下确界；
[0041]根据控制信号与t
k
时刻的差值，即测量误差的绝对值|Δ|，判断控制器是否满足所设计的触发条件；若满足触发条件，满足触发条件的时刻记录为t
k+1
，直舵控制指令更新为：
[0042][0043]若不满足触发条件，直舵控制指令保持为
[0044]本专利技术还提供一种水下航行器制导控制系统，所述系统包括：
[0045]制导控制一体化模型模块，用于建立水下航行器制导控制一体化模型；
[0046]滑模函数模块，用于构造全局滑模函数；和
[0047]制导控制模块，用于建立事件触发控制器，利用所述全局滑模函数计算控制信号，判断事件触发控制器是否满足触发条件，若满足触发条件则更新直舵控制指令。
[0048]本专利技术还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器制导控制方法，所述方法包括：步骤1：建立水下航行器制导控制一体化模型；步骤2：构造全局滑模函数；步骤3：建立事件触发控制器，利用所述全局滑模函数计算控制信号，判断事件触发控制器是否满足触发条件，若满足触发条件则更新直舵控制指令。2.根据权利要求1所述的水下航行器制导控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：建立水下航行器制导控制一体化模型如下：建立水下航行器制导控制一体化模型如下：建立水下航行器制导控制一体化模型如下：其中，定义大地坐标系下北向为x轴，东向为y轴；基准线x
o
平行于x轴且与x轴的正向同方向；状态变量状态变量x2＝β，状态变量x3＝ω
y
；各参数定义为：各参数定义为：各参数定义为：其中，r为水下航行器与目标的相对距离，为r的一阶时间导数；β为水下航行器侧滑角，ω
y
为水下航行器旋转角速度；v
A
为水下航行器的速度矢量；K
J
为转动惯量；常数K
zβ
，K
zδ
，K
zω
，K
myβ
，K
myδ
，K
myω
为各变量之间的相关系数；常数λ
33
、λ
35
为流体动力系数；常数T为水下航行器纵轴方向所受推力；δ
r
为直舵控制指令；视线角q为目标的瞄准线与攻击平面内基准线x
o
的夹角；常数其中，m为水下航行器质量；Δ
q
为水下航行器受到的干扰，定义为：其中，σ
A
与σ
T
分别为水下航行器、目标速度矢量与基准线之间的夹角，为σ
A
的一阶时间导数，为σ
T
的一阶时间导数；v
T
为目标的速度矢量；控制目标为设计直舵控制指令δ
r
的事件触发器，使水下航行器制导控制一体化模型的状态变量x1收敛至一个关于零点的可调残集内。3.根据权利要求2所述的水下航行器制导控制方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锐，郝程鹏，马慧，司昌龙，解玮，侯朝焕，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：