[發明專利]波浪滑翔器變航速下自適應艏向控制器及控制方法

在審

• 申請號: 201910123250.7
• 申請日: 2019-02-18
• 公開（公告）號: CN109828462A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 李曄;潘愷文;廖煜雷;王磊峰;張蔚欣;盧倪斌;李子圓;武皓微
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種波浪滑翔器變航速下自適應艏向控制器及控制方法。利用相似原理，結合波浪滑翔器變航速下的艏向響應方程參數變化規律，實現擴張狀態觀測器參數的自適應調節。利用擴張狀態觀測器得到波浪滑翔器艏向、艏向變化率和所受擾動的狀態信息，將狀態信息輸入曲面控制器，并針對擾動調節曲面偏移量進行補償。通過跟蹤微分器安排過渡過程，降低波浪滑翔器期望艏向突變時艏向響應的超調。本發明的方法，使波浪滑翔器在不同航速、不同干擾下均能實現可靠、響應效果優良的艏向控制，提升了波浪滑翔器潛體艏向控制魯棒性。控制器參數少易調節，具有變航速下參數自適應能力，解決了變航速下波浪滑翔器潛體艏向控制問題，提高了控制器的適用性。

技術領域

本發明涉及的是一種波浪滑翔器的艏向控制裝置，本發明也涉及一種波浪滑翔器的艏向控制方法。

背景技術

波浪滑翔器作為一種新型海洋觀測平臺，不采用傳統航行器螺旋槳推進的方式，通過捕獲海洋中的波浪能轉化為自身航行的動力，利用太陽能為控制系統提供電力，具備長航時，大航程的作業能力。同時，波浪滑翔器還具備運營成本低，對環境零污染，惡劣海況下生存能力強等特點。因此，波浪滑翔器被廣泛用于各種長期的，大范圍的海洋觀測任務，如氣象信息收集、生物遷徙跟蹤、海洋環境監測等。

由于波浪滑翔器航行動力是由波浪能轉化而來的，而非借助于穩定可控的螺旋槳等推進設備，因此在航行過程中波浪滑翔器的航速處在一個絕對值很小的數值區域內，最大約3kn，且航速是不可控制的。雖然波浪滑翔器航速變化的絕對值較小，但其相對改變量相比于其他航行器是非常大的。根據船舶操縱性知識可知，當航速相對變化量較大時，對航行器艏向控制響應影響非常大。當波浪滑翔器在低海況環境下航行時，艏向控制響應速度會大幅降低，此時，傳統的PID艏向控制器在控制波浪滑翔器潛體艏向時，由于艏向響應速度慢，會造成積分項大量累積，引起艏向控制超調或者發散，而如果減小積分項系數則會引起系統在穩態干擾下收斂速度慢，控制效果差。如若針對不同的航速下的艏向控制設置多組PID參數，則會消耗大量的調試時間。因此不同航速下，尤其是超低航速下的波浪滑翔器艏向控制是波浪滑翔器航行控制中不可忽視的問題。

自抗擾控制理論中，擴張狀態觀測器可以根據系統的輸入和輸出來對系統的內部信息和擾動情況進行實時觀測和估計。然而自抗擾控制器中參數眾多，調節參數復雜，且參數的設置受響應模型的影響，在變航速下波浪滑翔器的艏向響應模型參數變化較大，這也增加了自抗擾控制方法的應用難度。傳統的曲面控制器具有響應快，魯棒性強，控制參數調節簡單等眾多優點，常用于水面機器人的艏向控制。當受控系統存在內部或外部的穩態干擾時，需要設置曲面控制器的偏移值對干擾進行補償。然而在波浪滑翔器航行的過程中，隨著海流的變化，波浪滑翔器潛體艏向的穩態干擾不是恒定的，這便使曲面控制器的偏移值設定造成了困難。

公開號為CN 104865968A的專利文件中公開的一種采用串級自抗擾控制技術的四旋翼飛行器懸停控制方法中，通過串級自抗擾技術設計四旋翼飛行器懸停控制策略，將系統的模型不確定性和系統內外部擾動估計用擴張狀態觀測器實時估計并補償。公開號為CN104865968A的專利文件中公開的技術方案與本發明考慮波浪滑翔器艏向響應模型和相似原理，進而提出的一種波浪滑翔器變航速下自適應艏向控制方法，用以解決變航速、艏向響應模型參數大幅改變下的波浪滑翔器潛體艏向控制問題有本質不同。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠提升波浪滑翔器在不同航速與海流干擾條件下的艏向控制魯棒性的波浪滑翔器變航速下自適應艏向控制器。本發明的目的還在于提供一種基于本發明的波浪滑翔器變航速下自適應艏向控制器的控制方法。

本發明的目的是這樣實現的：