[发明专利]波浪滑翔器变航速下自适应艏向控制器及控制方法

说明书

本发明提供的是一种波浪滑翔器变航速下自适应艏向控制器及控制方法。利用相似原理，结合波浪滑翔器变航速下的艏向响应方程参数变化规律，实现扩张状态观测器参数的自适应调节。利用扩张状态观测器得到波浪滑翔器艏向、艏向变化率和所受扰动的状态信息，将状态信息输入曲面控制器，并针对扰动调节曲面偏移量进行补偿。通过跟踪微分器安排过渡过程，降低波浪滑翔器期望艏向突变时艏向响应的超调。本发明的方法，使波浪滑翔器在不同航速、不同干扰下均能实现可靠、响应效果优良的艏向控制，提升了波浪滑翔器潜体艏向控制鲁棒性。控制器参数少易调节，具有变航速下参数自适应能力，解决了变航速下波浪滑翔器潜体艏向控制问题，提高了控制器的适用性。

技术领域

本发明涉及的是一种波浪滑翔器的艏向控制装置，本发明也涉及一种波浪滑翔器的艏向控制方法。

背景技术

波浪滑翔器作为一种新型海洋观测平台，不采用传统航行器螺旋桨推进的方式，通过捕获海洋中的波浪能转化为自身航行的动力，利用太阳能为控制系统提供电力，具备长航时，大航程的作业能力。同时，波浪滑翔器还具备运营成本低，对环境零污染，恶劣海况下生存能力强等特点。因此，波浪滑翔器被广泛用于各种长期的，大范围的海洋观测任务，如气象信息收集、生物迁徙跟踪、海洋环境监测等。

由于波浪滑翔器航行动力是由波浪能转化而来的，而非借助于稳定可控的螺旋桨等推进设备，因此在航行过程中波浪滑翔器的航速处在一个绝对值很小的数值区域内，最大约3kn，且航速是不可控制的。虽然波浪滑翔器航速变化的绝对值较小，但其相对改变量相比于其他航行器是非常大的。根据船舶操纵性知识可知，当航速相对变化量较大时，对航行器艏向控制响应影响非常大。当波浪滑翔器在低海况环境下航行时，艏向控制响应速度会大幅降低，此时，传统的PID艏向控制器在控制波浪滑翔器潜体艏向时，由于艏向响应速度慢，会造成积分项大量累积，引起艏向控制超调或者发散，而如果减小积分项系数则会引起系统在稳态干扰下收敛速度慢，控制效果差。如若针对不同的航速下的艏向控制设置多组PID参数，则会消耗大量的调试时间。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视的问题。

自抗扰控制理论中，扩张状态观测器可以根据系统的输入和输出来对系统的内部信息和扰动情况进行实时观测和估计。然而自抗扰控制器中参数众多，调节参数复杂，且参数的设置受响应模型的影响，在变航速下波浪滑翔器的艏向响应模型参数变化较大，这也增加了自抗扰控制方法的应用难度。传统的曲面控制器具有响应快，鲁棒性强，控制参数调节简单等众多优点，常用于水面机器人的艏向控制。当受控系统存在内部或外部的稳态干扰时，需要设置曲面控制器的偏移值对干扰进行补偿。然而在波浪滑翔器航行的过程中，随着海流的变化，波浪滑翔器潜体艏向的稳态干扰不是恒定的，这便使曲面控制器的偏移值设定造成了困难。

公开号为CN 104865968A的专利文件中公开的一种采用串级自抗扰控制技术的四旋翼飞行器悬停控制方法中，通过串级自抗扰技术设计四旋翼飞行器悬停控制策略，将系统的模型不确定性和系统内外部扰动估计用扩张状态观测器实时估计并补偿。公开号为CN104865968A的专利文件中公开的技术方案与本发明考虑波浪滑翔器艏向响应模型和相似原理，进而提出的一种波浪滑翔器变航速下自适应艏向控制方法，用以解决变航速、艏向响应模型参数大幅改变下的波浪滑翔器潜体艏向控制问题有本质不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提升波浪滑翔器在不同航速与海流干扰条件下的艏向控制鲁棒性的波浪滑翔器变航速下自适应艏向控制器。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的波浪滑翔器变航速下自适应艏向控制器的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：