波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法与流程

本发明涉及一种波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法，属于波浪滑翔器运动控制领域。

背景技术：

波浪滑翔器是一种新型无人海洋探测平台，利用“浮体-脐带-潜体”刚柔混合多体结构将海洋波浪能直接地转化为自身的前进动力，同时依靠上甲板搭载的太阳能电池板为各电气负载供电，可以在广阔的海洋上进行长期自主的航行，还可充当通信中继与其他类型的探测平台进行指令和数据交换，为海洋观测技术提供了新思路，有着十分广阔的发展前景。然而，波浪滑翔器的运动控制是一个难点。

波浪滑翔器结构独特，动力学特性复杂，使用环境极其恶劣，对控制系统的自适应性提出了苛刻的要求。

姜权权等人提出的名为《舰船用重定义输出式无模型自适应航向控制算法》的尚未公开的专利中，在无模型自适应控制理论(modelfreeadaptivecontrol，mfac)中重定义系统输出(船体艏向和角速度)，使得舰船的航向控制系统满足mfac理论对受控系统的“拟线性”假设条件，从而使得该重定义输出式mfac理论可以应用于舰船的航向控制中。该方法可用于单独控制波浪滑翔器浮体(或潜体)的艏向/航向，但波浪滑翔器为柔性连接的双体结构，浮体、潜体各自的运动并不能保持同步，与波浪滑翔器整体的运动也不一致，因此该方法无法直接应用于波浪滑翔器航向控制中。本发明将波浪滑翔器浮体与潜体的艏摇运动信息融合，应用于波浪滑翔器航向控制中，能够有效提高波浪滑翔器的航向控制能力，并具有较强的自适应性。

中国专利《一种上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法》(公开号：cn106990787a)中，通过艏向融合计算潜体期望艏向，之后采用常规控制方法控制潜体期望艏向，进而控制波浪滑翔器系统的航向，艏向融合部分与潜体艏向控制部分为串联结构，其中采用常规控制方法控制潜体期望艏向时，在不同环境下需采用不同的控制参数。而本发明在控制器内在结构上实现了浮体与潜体艏摇运动信息与mfac理论的有机结合；利用控制算法的自适应调节机制，使得不同环境下无需人为调节控制参数，在环境自适应性方面具有显著优势。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法，用于波浪滑翔器航向控制，并可扩展到与波浪滑翔器结构类似的多体结构型海洋航行器的航向控制。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：将波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)定义为浮体航向角速度、潜体转艏角速度、浮体航向角和潜体艏向角的函数：

y(k)＝f(rf,rg,ψf,ψg)

其中：rf，rg，ψf，ψg分别为浮体航向角速度、潜体转艏角速度、浮体航向角和潜体艏向角，k为离散控制系统的运行时刻；

步骤二：将所述波浪滑翔器航向控制系统的期望输出y^*(k)与实际输出y(k)相减，得到误差e(k)，如果误差绝对值|e(k)|小于设定的阈值e0，认为波浪滑翔器航向控制系统实际输出稳定收敛到期望输出，跳出循环；否则将e(k)作为无模型自适应控制器的输入，解算出控制系统期望输入u(k)，进入步骤三；

步骤三：将所述期望输入指令下达到操纵机构，操纵机构执行指令，改变波浪滑翔器潜体艏向角，继而改变波浪滑翔器航向角，波浪滑翔器浮体和潜体上搭载的gps、磁罗经测得波浪滑翔器实际的浮体航向角速度rf、潜体转艏角速度rg、浮体航向角ψf和潜体艏向角ψg，计算得到所述波浪滑翔器航向控制系统的实际输出y(k)，即f(rf,rg,ψf,ψg)，返回步骤二，进行循环。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)的满足：当系统输入u(k)增大时，即舵角增大或转艏力矩增大时，波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)是不减的。

2.所述波浪滑翔器航向控制系统的期望输出y^*(k)的计算过程是：期望浮体航向角速度取为0，期望潜体转艏角速度取为0，期望浮体航向取为波浪滑翔器期望航向ψ^*，不存在稳态干扰时期望潜体艏向取为波浪滑翔器期望航向ψ^*，存在稳态干扰时期望潜体艏向取为与波浪滑翔器期望航向ψ^*存在固定偏差△ψ。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明融合波浪滑翔器浮体与潜体的艏摇运动信息，重新定义波浪滑翔器航向控制系统的输出，使得波浪滑翔器航向控制系统满足mfac理论对受控系统“拟线性”假设条件的要求，能够有效控制波浪滑翔器的航向，借助mfac理论独特的自适应性及在线数据驱动优点，使得本发明提供的波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法具有较强的自适应性。

附图说明

图1是波浪滑翔器艏向控制系统结构图；

图2是波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1描述波浪滑翔器航向控制系统结构。已知波浪滑翔器期望航向ψ^*，根据本发明所述原则选取期望浮体航向角速度期望潜体转艏角速度期望浮体航向和期望潜体艏向根据上述各项取值，计算期望艏向融合控制系统输出y^*(k)。同时，波浪滑翔器搭载的传感器实时测量，分别为浮体航向角速度rf，潜体转艏角速度rg，浮体航向角ψf和潜体艏向角ψg，计算实际艏向融合控制系统输出y(k)。mfac控制器根据各个时刻的期望输出y(k)、实际输出y^*(k)和控制系统输入量u(k)等进行在线辨识和调整，计算得到波浪滑翔器下一时刻航向控制系统输入量，驱动操纵机构即舵机，从而实现对波浪滑翔器的航向控制。

结合图2详细说明本发明波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法的流程图。具体实现步骤如下：

(1)将波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)定义为浮体航向角速度，潜体转艏角速度，浮体航向角，和潜体艏向角的函数，即y(k)＝f(rf,rg,ψf,ψg)，其中rf，rg，ψf，ψg分别为浮体航向角速度，潜体转艏角速度，浮体航向角和潜体艏向角，k为离散控制系统的运行时刻。

所述波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)需满足当系统输入u(k)增大时，即舵角增大或转艏力矩增大时，波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)是不减的，其形式为包含但不限于线性(如y(k)＝k1×rf+k2×rg+k3×ψf+k4×ψg)、非线性(如y(k)＝tanh(k1×rf+k2×rg+k3×ψf+k4×ψf))等多种可能的具体数学表达形式，均在本发明保护范围之内。

(2)将所述波浪滑翔器航向控制系统的期望输出y^*(k)与实际输出y(k)相减，得到误差e(k)，如果误差绝对值|e(k)|小于设定的阈值e0并保持一定时间，认为波浪滑翔器航向控制系统实际输出稳定收敛到期望输出，跳出循环，否则将e(k)作为无模型自适应控制器(modelfreeadaptivecontrol，mfac)的输入，解算出控制系统期望输入u(k)(如期望舵角、期望转艏力矩)，进入步骤(3)。

所述波浪滑翔器航向控制系统的期望输出y^*(k)，其计算过程是：期望浮体航向角速度取为0，期望潜体转艏角速度取为0，期望浮体航向取为波浪滑翔器期望航向ψ^*，不存在稳态干扰时期望潜体艏向取为波浪滑翔器期望航向ψ^*，存在稳态干扰时期望潜体艏向取为与波浪滑翔器期望航向ψ^*存在固定偏差△ψ。其中所述固定偏差△ψ通过理论推导或试验获取。

所述无模型自适应控制器，即mfac控制器，包含多种形式，如紧格式无模型自适应控制器(compactformatdynamiclinearizationmodelfreeadaptivecontrol,cfdl_mfac)，偏格式无模型自适应控制器(particalformatdynamiclinearizationmodelfreeadaptivecontrol,pfdl_mfac)，全格式无模型自适应控制器(fullformatdynamiclinearizationmodelfreeadaptivecontrol,ffdl_mfac)，紧格式无模型自适应预测控制器(compactformatdynamiclinearizationmodelfreeadaptivepredictivecontrol,cfdl_mfapc)等等，本发明不一一列举。

本发明以波浪滑翔器航向控制系统的输出y(k)为线性叠加形式，所述无模型自适应控制器采用cfdl_mfac形式为例解释本发明。将波浪滑翔器航向控制系统的输出定义为y(k)＝k1×r^f+k2×r^g+k3×ψ^f+k4×ψ^g，其中增益系数k1，k2，k3，k4为与波浪滑翔器的动力学特性有关的正常量，其选取过程是：通过理论推导或试验获取，并使其满足当系统输入增大时，即舵角增大或转艏力矩增大时，波浪滑翔器航向控制系统的输出是不减的，从而使得波浪滑翔器航向控制系统满足mfac理论的受控系统“拟线性”假设条件，即控制输入增加时相应的受控系统输出不减。则控制算法如下：

y(k)＝k1×r^f+k2×r^g+k3×ψ^f+k4×ψ^g

△u(k)＝u(k)-u(k-1)

△y(k)＝y(k)-y(k-1)

其中，η∈(0,1]为步长因子，μ>0为权重系数，φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值。当|△u(k-1)|≤ε或时，令ε是一个充分小的正数，是的初值。

(3)将所述期望输入指令下达到操纵机构，即舵机，操纵机构执行指令，改变波浪滑翔器潜体艏向角，继而改变波浪滑翔器航向角，波浪滑翔器浮体和潜体上搭载的gps、磁罗经等传感器测得波浪滑翔器实际的浮体航向角速度rf，潜体转艏角速度rg，浮体航向角ψf和潜体艏向角ψg，计算得到所述波浪滑翔器航向控制系统的实际输出y(k)，即f(rf,rg,ψf,ψg)，返回步骤(2)。

综上，本发明公开一种波浪滑翔器多体艏向融合的无模型自适应航向控制方法。将波浪滑翔器航向控制系统的输出定义为浮体航向角速度、潜体转艏角速度、浮体航向角和潜体艏向角的函数，通过多体艏摇运动信息融合提高波浪滑翔器航向控制能力，同时满足无模型自适应控制理论(modelfreeadaptivecontrol，mfac)对受控系统“拟线性”假设条件的要求；计算波浪滑翔器航向控制系统的期望输出与实际输出的误差，作为mfac控制器的输入，解算出控制系统期望输入(如期望舵角、期望转艏力矩)；期望输入指令下达到操纵机构，进而控制波浪滑翔器的系统航向。本发明借助mfac理论独特的自适应性及在线数据驱动优点，融合波浪滑翔器浮体和潜体的艏摇运动信息，能够有效控制波浪滑翔器的航向，并具有较强的自适应性。