水上无人机水面自主操纵控制方法及系统的制作方法

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1、水上无人机水面自主操纵控制方法及系统的制作方法水上无人机水面自主操纵控制方法及系统的制作方法本发明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

2、纵倾角。本发明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【技术领域】 0001本发明属于飞行控制领域，尤其涉及一种水上无人机水面操纵控制方法及系统。【背景技术】 0002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

3、灾、海上搜索与救护、海上缉私缉毒等领域的作业。 0003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。 0004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。 0005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

4、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。【发明内容】 0006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，本发明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。 0007为实现上述目的，本发明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: 0008变参数PID控制器接收纵倾角指令-和纵倾角的纵倾角误差Qe，然后根

5、据所述纵倾角误差 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-和纵倾角的差； 0009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; 0010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= V qT，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_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 e0与前一

6、时刻所述升降舵干扰当量估计值Z1的差值； 0011水上无人机动力学模块接收油门指令 th和升降舵指令 e，并根据油门指令 th和升降舵指令计算得到水上无人机内环状态变量X= V qT和纵倾角，所述水上无人机内环状态变量X= V qT输出给内环扩张状态观测器；所述纵倾角用于计算纵倾角误差 eo 0012本发明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: 0013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 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-和纵倾角的差； 0014内环动态逆控制器，分别接收速

7、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; 0015内环扩展状态观测器，接收油门指令 th、升降舵指令 e和水上无人机内环状态变量X= V qT，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_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 e0与前一时刻所述升降舵干扰当量估计值Z1的差值； 0016水上无人机动力学模块，接收油门指令Sth和升降舵指令，并根据油门指令Sth和升降舵指令计算得到水上无人

8、机内环状态变量X= V qT和纵倾角，所述水上无人机内环状态变量X= V qT输出给内环扩张状态观测器；所述纵倾角用于计算纵倾角误差 e。 0017本发明具有的积极效果: 0018(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。 0019(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】 0020图1是本发明中水上无人机水面自主操纵控制方法原理图； 0021图2(a)示出了本发明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； 0022图2 (b)示出

9、了本发明中变参数PID控制器参数随速度进行自动调整的曲线示意图； 0023图3是本发明中水上无人机动力学模型的结构框架图； 0024图4是本发明中内环动态逆控制器结构框架示意图； 0025图5是本发明中内环扩展状态观测器的结构框架图。【具体实施方式】 0026下面将结合附图对本发明加以详细说明，具体实施例如下所述: 0027图1为本发明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。 cmd为纵倾角指令，用于形成水上无人机纵向控制的目标值；为纵倾角，用于形成纵向控制的角度测量值；纵倾角误差

10、 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， 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； th0, 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.，0, 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= V qT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。 0028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

11、I主要用于纵倾角的姿态控制，实时计算(得到纵倾角误差 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，对于水上无人机的内环状态变量X= V qT进行非线性解耦控制，形成油门指令标称值和升降舵指令标称值StM， ;内环扩展状态观测器3接收水上无人机内环状态变量X= V qT和油门指令和升降舵指令，实时估计速度方向和俯仰力矩方向的海浪干扰力和干扰力矩，形成油门干扰当量和升降舵干扰当量估计值Zo，Z1 ;油门指令标称值和升降舵指令标称值StM，(与油门干扰当量和升降舵干扰当量估计值Z(l，Zl相减，可以得到油门指令和升降舵指令S

12、th，6 0029这种方法采用水上无人机内环状态变量X = V qT和纵倾角控制相互嵌套的方案，内环动态逆控制器2、内环扩展状态观测器3、水上无人机动力学模型处理器4组成内回路控制，主要用于水上无人机速度V有效跟踪速度控制目标值一速度指令Vcmd和俯仰角q跟踪俯仰角速率控制目标值一俯仰角速率指令q-，具体说明如下:参见图1，可以看至IJ内环动态逆控制器2的输入是速度指令Vcmd、俯仰角速率指令q-和水上无人机内环状态变量X = V qT，其中V为水上飞机速度，q为俯仰角速率。 0030内环动态逆控制器2的输出是油门指令标称值和升降舵指令标称值 th0, e0,并与内环扩张状态观测器3的输出(油

13、门干扰当量和升降舵干扰当量估计值Z(l，Z1)相减，可以得到油门指令和升降舵指令Sth，输入到水上无人机动力学模型处理器4，形成闭环控制机制，实现水上无人机速度V有效跟踪速度控制目标值。变参数PID控制器I和纵倾角的状态反馈，组成外回路控制，主要用于水上无人机纵倾角有效跟踪纵倾角控制目标值纵倾角指令 ，具体说明如下，参见图1，变参数PID控制器I的输入是纵倾角误差 e,经过PID控制器计算，形成俯仰角速率指令q-，结合上述内环动态逆控制器2使得俯仰角q跟踪俯仰角速率控制目标值一俯仰角速率指令Qcmd，形成纵倾角的闭环控制机制，从而实现纵倾角有效跟踪纵倾角控制目标值一纵倾角指令-。 0031水上

14、无人机水面自主操纵控制方法的具体步骤是: 0032变参数PID控制器1，其接收纵倾角指令-和纵倾角的纵倾角误差，然后根据所述纵倾角误差 e计算得到俯仰角速率指令qMd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-和纵倾角的差； 0033内环动态逆控制器2，其分别接收速度指令VMd(由用户输入的速度期望值)和俯仰角速率指令q-，然后根据内环动态逆控制器2设计的控制器(具体详见后述公式5)计算得到油门指令标称值Sthtl，并根据内环动态逆控制器2设计的控制器(具体详见后述公式5)计算得到升降舵指令标称值 e0 ； 0034内环扩展状态观测器3，其接收油门指令 th、升降舵指令 e和水上

15、无人机内环状态变量X= V qT，并根据扩展状态观测器32 (见公式9)计算得到油门干扰当量估计值Ztl，根据扩展状态观测器32 (见公式9)，计算得到升降舵干扰当量估计值Z1 ;所述油门指令 th是所述内环动态逆控制器2输出的油门指令标称值 th0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2输出的升降舵指令标称值 e0与前一时刻所述升降舵干扰当量估计值Z1的差值； 0035水上无人机动力学模型4，其接收油门指令 th和升降舵指令 e,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= V qT和纵倾角，采用的方式是公式I基础上的数值积分计算，所述水上无人机内环状态变量X= V qT输出给内环扩张状态观测器3;所述纵倾角用于计算纵倾角误差# 0036图2(a)是示出了本发明中水上无人机纵倾角指令-随速度V进行自动调整的曲线示意图；图2(13)示出了本发明中变参数PID控制器参数随速度V进行自动调整的曲线示意图。水上无人机的纵倾角指令9?d在起飞加速过程中，存在一个上不稳定区和下不稳定区，只有在一定范围内纵倾角指