本發(fā)明涉及兩棲航行器控制領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于非線性干擾觀測器的兩棲航行器自適應(yīng)反步控制方法。

背景技術(shù)：

1、多國專家、學者已經(jīng)在兩棲航行器-hauv領(lǐng)域開展了廣泛研究，飛行浮標的研究可以在hauv現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上更有針對性的開展。目前hauv的主要實現(xiàn)方案主要沿襲了固定翼uav、多旋翼uav、仿生uav的設(shè)計形式。相對于其他構(gòu)型的huav，多旋翼型hauv在兩種介質(zhì)的運動穩(wěn)定性和機動性方面都具有綜合優(yōu)勢，因此，基于多旋翼構(gòu)型的hauv越來越多出現(xiàn)。然而，在實踐中，上述跨域飛行器的運動控制仍面臨著許多挑戰(zhàn)，其中一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是在過渡過程中的時變甚至不連續(xù)的動態(tài)。附加質(zhì)量、阻尼和恢復(fù)力等隨時間變化，難以準確獲得和估計。hauv在跨域階段的水氣交界面面臨風和波浪載荷的復(fù)合擾動，這進一步給控制器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。

2、在hauv技術(shù)領(lǐng)域中，一個必須妥善處理的關(guān)鍵問題是hauv在跨介質(zhì)過程中的運動控制。無論對于何種形式的hauv，真實的?？湛缬驊?yīng)用場景均要求其能夠穿越水空交界面以進行兩棲活動。在跨介質(zhì)的過程中，hauv會遭遇十分復(fù)雜的動力學問題。這就導(dǎo)致hauv的跨介質(zhì)運動具有高度非線性，且無法精確建模。因此，hauv系統(tǒng)面臨的時變性、非線性、耦合性與不確定性使得針對其跨介質(zhì)過程的運動控制相比于傳統(tǒng)uuv和uav的運動控制更為復(fù)雜。處理上述問題的重要技術(shù)手段就是為hauv設(shè)計合理可靠的運動控制器，對系統(tǒng)在跨介質(zhì)過程中遭遇的因環(huán)境變化和干擾帶來的影響進行有效的處理，繼而保證跨介質(zhì)過程的穩(wěn)定。

3、目前對hauv控制的研究主要集中在跨介質(zhì)的軌跡跟蹤方面，許多學者進行了多方面的研究。2014年，來自巴西三所大學的聯(lián)合研究小組對四旋翼hauv進行了建模和數(shù)值模擬研究。他們將浮力變化、慣性和粘性流體動力學以及推進特性的變化因素添加到四旋翼hauv的運動學模型中。在初始研究中采用簡單的增益調(diào)節(jié)pd控制(gspid)驗證了建模方法的有效性。羅格斯大學的研究人員為他們的hauv?naviator設(shè)計了一個可以自動切換參數(shù)的pid控制器，它根據(jù)傳感器讀數(shù)在兩組pid參數(shù)之間切換，該方案通過模擬和水池測試進行了驗證。為了規(guī)避歐拉建模的奇異問題該團隊通過四元數(shù)方法建立了naviator的姿態(tài)模型并在水池測試中成功進行了高機動性操作(翻轉(zhuǎn)360°)和跨介質(zhì)運動。2018年，該團隊還提出了將混合控制策略應(yīng)用于其hauv的后續(xù)研究。該方法將naviator在水空環(huán)境中的運動視為混合系統(tǒng)(連接兩個獨立連續(xù)非線性系統(tǒng)的離散步進過程)，然后基于混合系統(tǒng)理論設(shè)計了一種具有切換律的復(fù)合軌跡跟蹤控制器，其中位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)分別采用feedback線性化控制器和pid控制器。奧克蘭大學的研究人員為loon?copter設(shè)計了一種經(jīng)典的比例微分(pd)飛行控制器，并成功地實現(xiàn)了在水面上可重復(fù)的起飛和降落?？哲姽こ檀髮W的研究人員對雙層四旋翼hauv的跨介質(zhì)運動控制問題進行了更多的研究。2016年，該團隊針對多旋翼hauv近水的螺旋槳地面效應(yīng)問題，提出了實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定控制的自抗擾控制(adrc)策略，并進行了實驗測試。然而，該研究只考慮了水面附近的空中飛行階段，而不涉及完整的跨介質(zhì)運動過程。2018年，團隊嘗試設(shè)計了具有實時估計參數(shù)的自適應(yīng)滑?？刂撇呗?，用于多旋翼hauv的跨介質(zhì)運動算法，實現(xiàn)系統(tǒng)模型的不確定性和時變環(huán)境影響的未知實時估計補償，從而提高系統(tǒng)對跨介質(zhì)過程中環(huán)境變化的魯棒性。2019年，大連海事大學的研究人員針對他們提出的新概念傾轉(zhuǎn)四旋翼hauv的跨介質(zhì)運動控制問題設(shè)計了一個經(jīng)典的滑?？刂破?smc)，并在跨介質(zhì)過程的仿真測試中實現(xiàn)了對高度和姿態(tài)的穩(wěn)定控制。2021年，上海海事大學研究人員為單層四旋翼hauv樣機設(shè)計了“模糊比例-積分-積分”(fuzzy?p+id)姿態(tài)控制器，以保持系統(tǒng)在跨介質(zhì)運動過程中的姿態(tài)穩(wěn)定性，并且在測試中驗證了該方法的有效性。上海交通大學的研究人員對多旋翼hauv在水、空氣和跨介質(zhì)過程中的運動模型進行了詳細的建模研究，并首次將風、浪和流的影響引入系統(tǒng)模型。采用自適應(yīng)動態(tài)表面控制(adsc)策略在跨介質(zhì)機動跟蹤所期望的高度和姿態(tài)。adsc方案可以根據(jù)介質(zhì)的變化主動調(diào)整控制輸出，從而提高整個控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。隨后，該團隊設(shè)計了基于非線性擾動觀測器(ndo)的動態(tài)表面控制器，該控制器能夠?qū)崟r準確地估計總擾動，提高了系統(tǒng)對不確定性和擾動的魯棒性。近期該團隊研究了周期性波浪力對螺旋槳的瞬時沖擊，進一步對環(huán)境擾動進行了精細化建模，設(shè)計了一個二階滑?？刂破?smc)實現(xiàn)了比傳統(tǒng)pid控制器更快的收斂速度和更好的魯棒性。

4、綜上，申請人研究發(fā)現(xiàn)：目前已有實際應(yīng)用的方法基本都基于傳統(tǒng)的pid，pid控制器在面對環(huán)境變化時無法主動調(diào)整控制輸出特性，為適應(yīng)環(huán)境變化，有的學者引入了可切換參數(shù)的pid方法，但是這種方法所引入的突變很容易引起抖動。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于非線性干擾觀測器的兩棲航行器自適應(yīng)反步控制方法，本方法具有較強的魯棒性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于非線性干擾觀測器的兩棲航行器自適應(yīng)反步控制方法，所述方法包括：

3、構(gòu)建兩棲航行器的數(shù)學模型，所述數(shù)學模型包括位移模型和姿態(tài)模型；

4、在兩棲航行器中搭載控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括：目標軌跡規(guī)劃器、位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器、姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器、第一擾動觀測器、第二擾動觀測器、位置控制子系統(tǒng)和姿態(tài)控制子系統(tǒng)，位置控制子系統(tǒng)中搭載位移模型，姿態(tài)控制子系統(tǒng)中搭載姿態(tài)模型，模型為后續(xù)仿真驗證算法的基礎(chǔ)，在仿真中用數(shù)學模型代替實物開展實驗；

5、目標軌跡規(guī)劃器將兩棲航行器的下一步位置信息發(fā)送給位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器，位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器從位置控制子系統(tǒng)讀取獲得兩棲航行器當前的位置信息，位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器從第一擾動觀測器獲得第一干擾狀態(tài)信息；位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器基于兩棲航行器的下一步目標位置信息、兩棲航行器當前的位置信息和第一干擾狀態(tài)信息，計算獲得位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器的第一控制指令和下一步的目標姿態(tài)角包括目標俯仰角θd和目標滾轉(zhuǎn)角φd；

6、位置環(huán)自適應(yīng)反步控制器將下一步的目標俯仰角θd和目標滾轉(zhuǎn)角φd發(fā)送至姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器，目標軌跡規(guī)劃器將目標偏航角ψd發(fā)送給姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器，姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器基于下一步的目標俯仰角θd、目標滾轉(zhuǎn)角φd和目標偏航角ψd計算獲得完整地目標姿態(tài)角信息，姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器從第二擾動觀測器獲得第二干擾狀態(tài)信息，姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器從姿態(tài)控制子系統(tǒng)讀取獲得兩棲航行器當前的姿態(tài)信息，姿態(tài)環(huán)自適應(yīng)反步控制器基于完整地目標姿態(tài)角信息、第二干擾狀態(tài)信息和兩棲航行器當前的姿態(tài)信息，計算獲得姿態(tài)控制子系統(tǒng)的第二控制指令；

7、兩棲航行器基于第一控制指令和第二控制指令分別對兩棲航行器的位置和姿態(tài)進行控制。

8、申請人研究發(fā)現(xiàn)：(1)探索hauv的建模方法，建立可靠的數(shù)學模型對于進行后續(xù)的控制器設(shè)計工作至關(guān)重要。(2)經(jīng)典的pid控制策略結(jié)構(gòu)簡單，工程應(yīng)用方便。然而，pid控制器在面對環(huán)境變化時無法主動調(diào)整控制輸出特性。應(yīng)用開關(guān)控制方法所引入的突變很容易引起抖動。(3)利用自適應(yīng)算法和擾動觀測器輔助補償集總不確定性非線性魯棒控制器的設(shè)計，可以有效解決這些問題，因此，本發(fā)明設(shè)計了一種基于非線性干擾觀測器的兩棲航行器自適應(yīng)反步控制方法，本方法采用反步控制器構(gòu)成了控制器的基礎(chǔ)，集成的擾動觀測器通過估計難以測量的集總不確定性來增強閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。同時，引入自適應(yīng)算法補償擾動觀測器的剩余殘差，自適應(yīng)算法見步驟8和步驟9中的自適應(yīng)律設(shè)計。自適應(yīng)算法和擾動觀測器共同作用，聯(lián)合提高了系統(tǒng)魯棒性。

9、本方法分析兩棲航行器整個跨介質(zhì)過程的受力過程，將兩棲航行器跨越過程中的浮力、流體阻力、波浪力以及附加質(zhì)量等變量線性化處理，并將線性化誤差與難以測量的水動力產(chǎn)生的影響視為擾動，建立了兩棲航行器的連續(xù)動力學模型。采用了非線性干擾觀測器在線估計集總不確定性，將介質(zhì)變化的影響與真實環(huán)境擾動一起視為未知擾動的一部分，然后通過擾動補償技術(shù)克服集總擾動。將兩棲航行器控制系統(tǒng)分解為位置和姿態(tài)控制子系統(tǒng)，運用反步法設(shè)計兩個子系統(tǒng)的控制律。

10、優(yōu)選的，所述構(gòu)建兩棲航行器的數(shù)學模型具體包括：

11、建立地球固連坐標系和體坐標系，獲得地球固連坐標系與體坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；

12、基于地球固連坐標系與體坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系構(gòu)建兩棲航行器的運動方程；

13、對兩棲航行器進行受力分析獲得受力分析結(jié)果；

14、基于兩棲航行器的運動方程和受力分析結(jié)果獲得兩棲航行器的動力學方程；

15、基于所述動力學方程獲得兩棲航行器的數(shù)學模型。

16、優(yōu)選的，位移模型的表達式為：

17、

18、其中，為λ1的導(dǎo)數(shù)，λ1為位移量，λ2為線速度，為λ2的導(dǎo)數(shù)，f1為第一合外力相關(guān)項，g1為位置控制量系數(shù)矩陣，up為位置控制量，d1為位置環(huán)干擾相關(guān)項；

19、姿態(tài)模型的表達式為：

20、

21、其中，為的導(dǎo)數(shù)，為姿態(tài)角，為角速度，為的導(dǎo)數(shù)，f2為第二合外力矩相關(guān)項，g2為姿態(tài)控制量系數(shù)矩陣，ur為姿態(tài)控制量，d2為姿態(tài)環(huán)干擾相關(guān)項；

22、其中，g1＝i3×3，g2＝1/iw，up＝[vx?vy?vz]t，d1＝[dx,dy,dz]t；

23、ur＝[u2/ixw?u3/iyw?u4/izw]t，d2＝[dφ,dθ,dψ]t，f1＝-frw/mw；

24、f2＝-mrw/iw+[x4x6ρφ?x2x6ρθ?x2x4ρψ]t-mwave/iw；

25、ρφ＝(iyw-izw)/ixw，ρθ＝(izw-ixw)/iyw，ρψ＝(ixw-iyw)/izw；

26、其中，i3×3為單位矩陣，iw為飛行器慣性矩，vx為位置控制量x方向分量，vy為位置控制量y方向分量，vz為位置控制量z方向分量，t為矩陣轉(zhuǎn)置計算符號，dx為作用于x向的干擾，dy為作用于y向的干擾，dz為作用于z向的干擾，u2為控制繞x軸轉(zhuǎn)動的力矩分量，ixw為飛行器慣性矩的x軸分量，u3為控制繞y軸轉(zhuǎn)動的力矩分量，iyw為飛行器慣性矩的y軸分量，u4為控制繞z軸轉(zhuǎn)動的力矩分量，izw為飛行器慣性矩的z軸分量，dφ為作用于滾轉(zhuǎn)角的干擾，dθ為作用于俯仰角的干擾，dψ為作用于偏航角的干擾，frw為合外力，mw為飛行器質(zhì)量，mrw為合外力矩，x4為線速度y向分量，x6為線速度z向分量，x2為線速度x向分量，mwave為波浪力力矩。

27、優(yōu)選的，地球固連坐標系與體坐標系之間的轉(zhuǎn)換通過矩陣和矩陣進行轉(zhuǎn)換，其中：

28、

29、其中，c代表cos，s代表sin，t代表tan，θ為俯仰角，ψ為偏航角。

30、優(yōu)選的，兩棲航行器的運動方程為：

31、

32、其中，為λ1的導(dǎo)數(shù)，λ1為位移量，λ2為線速度，為λ2的導(dǎo)數(shù)，m為兩棲航行器質(zhì)量，為的導(dǎo)數(shù)，為姿態(tài)角，為角速度，為的導(dǎo)數(shù)，fall為兩棲航行器所受力的總和，為的反對稱矩陣，i為兩棲航行器的慣性矩，mall為兩棲航行器所受力矩的總和。

33、優(yōu)選的，對兩棲航行器進行受力分析包括：

34、對兩棲航行器所受阻力和阻力力矩進行分析；

35、對兩棲航行器所受恢復(fù)力和恢復(fù)力力矩進行分析；

36、對兩棲航行器所受波浪力進行分析；

37、對兩棲航行器所受控制力和控制力力矩進行分析。

38、優(yōu)選的，第一和第二擾動觀測器表達式形式相同，需要區(qū)分時第一擾動觀測器和第二擾動觀測器表達式中的參數(shù)分別添加相應(yīng)下標即可，為簡化表達將第一擾動觀測器和第二擾動觀測器的表達式統(tǒng)一表述為：

39、

40、其中，為d的估計值，d為擾動，為的導(dǎo)數(shù)，為v的估計值，v為速度項，u為控制量，f為合外力，κ1和κ2為待設(shè)計參數(shù)。

41、優(yōu)選的，位置控制子系統(tǒng)對應(yīng)的目標軌跡為：λ1d＝[xd?yd?zd]t，λ1d為目標位置向量，xd為目標位置x向分量，yd為目標位置y向分量，zd為目標位置z向分量，t為矩陣轉(zhuǎn)置計算符號；

42、位置控制子系統(tǒng)的跟蹤誤差為：

43、e1＝λ1-λ1d,e2＝λ2-α1；

44、其中，e1為位移跟蹤誤差，λ1為位移量，e2為線速度跟蹤誤差，λ2為線速度，α1為第一虛擬控制律；

45、位置控制子系統(tǒng)的控制律為：

46、

47、其中，up為位置控制量，g1為位置控制量系數(shù)矩陣，為α1的導(dǎo)數(shù)，f1為第一合外力相關(guān)項，為位置環(huán)干擾相關(guān)項估計值，k2為矩陣參數(shù)；

48、位置控制子系統(tǒng)的自適應(yīng)律為：

49、

50、其中，為位置控制子系統(tǒng)的自適應(yīng)律，γ1為待設(shè)計參數(shù)矩陣。

51、優(yōu)選的，姿態(tài)控制子系統(tǒng)的控制目標為：其中，為目標姿態(tài)向量，φd為目標滾轉(zhuǎn)角，θd為目標俯仰角，ψd為目標偏航角，t為轉(zhuǎn)置矩陣；

52、姿態(tài)控制子系統(tǒng)的控制律為：

53、

54、其中，ur為姿態(tài)環(huán)控制量，g2為姿態(tài)環(huán)控制量系數(shù)矩陣，為α2的導(dǎo)數(shù)，α2為第二虛擬控制律，e3為姿態(tài)角跟蹤誤差，f2為第二合外力相關(guān)項，為姿態(tài)角誤差估計值，k4為待設(shè)計參數(shù)矩陣，e4為角速度跟蹤誤差；

55、姿態(tài)控制子系統(tǒng)的自適應(yīng)律為：

56、

57、其中，為的導(dǎo)數(shù)，γ2為待設(shè)計參數(shù)矩陣，e4為姿態(tài)角速度跟蹤誤差。

58、優(yōu)選的，所述方法還包括采用李雅普諾夫函數(shù)對位置控制子系統(tǒng)和姿態(tài)控制子系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行驗證。

59、本發(fā)明提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

60、本方法具有良好的軌跡跟蹤能力和較強的魯棒性，對同類型水空跨越航行器的控制器設(shè)計有一定參考借鑒意義。