水上無人機水面自主操縱控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水上無人機水面自主操縱控制方法和系統(tǒng)，方法包括：變參數(shù)PID控制器接收縱傾角指令和縱傾角的縱傾角誤差，然后根據(jù)所述縱傾角誤差計算得到俯仰角速率指令并輸出給內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器；內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器分別接收速度指令和俯仰角速率指令，然后計算得到油門指令標(biāo)稱值和升降舵指令標(biāo)稱值；內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器接收油門指令、升降舵指令和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量，并計算得到油門干擾當(dāng)量估計值和升降舵干擾當(dāng)量估計值；水上無人機動力學(xué)模塊接收油門指令和升降舵指令，并根據(jù)油門指令和升降舵指令計算得到水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量和縱傾角。本發(fā)明在不需要提前知道海情信息的情況下，實現(xiàn)在寬速域下的姿態(tài)控制精度要求。
【專利說明】水上無人機水面自主操縱控制方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于飛行控制領(lǐng)域，尤其涉及一種水上無人機水面操縱控制方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]我國是一個海洋大國，有18000多千米的海岸線，6500多個島嶼，300萬平方千米海疆。水上無人機是能在水面上起飛、降落和停泊的飛機，按機身機構(gòu)形狀可以分為船身式、浮筒式和兩棲式。水上無人機由于其獨特的水上起降和水面駐留作業(yè)能力，表現(xiàn)出極為廣泛的用途，如海洋調(diào)查、海洋勘探、海洋開發(fā)、海上運輸、海上生產(chǎn)和海洋旅游服務(wù)等活動日益頻繁，、森林與城市滅火、防洪防災(zāi)、海上搜索與救護、海上緝私緝毒等領(lǐng)域的作業(yè)。
[0003]水上無人機最獨特的問題就是水面自主起降控制問題，抗浪性是衡量水上無人機最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。同時海面海風(fēng)、海流和海浪具有不確定性，起飛著陸點的海況也在不斷變化。因此在一定海清等級下抵抗海浪干擾完成自主起飛控制是水上無人機的一項關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]水上無人機起飛是一個加速過程。為了迅速加速到起飛離水速度，飛機需要在海浪干擾情況下，保持良好的穿浪姿態(tài)，避免在海浪作用下縱傾運動過于劇烈，損耗飛機動能。在海浪干擾下有效保持相對穩(wěn)定的縱傾角是水上飛機起飛的重要條件。
[0005]因此水上無人機自主起飛控制的關(guān)鍵就轉(zhuǎn)化為在海浪干擾下縱傾角保持問題，其中的控制問題是有界未知不確定干擾下的姿態(tài)控制。對于小型水上無人機由于無法檢測海浪信息，因此只能在一定海情條件下，通過飛機姿態(tài)的閉環(huán)控制克服海浪干擾帶來的不確定性，實現(xiàn)水上無人機的穩(wěn)定穿浪，改善水上無人機的波面加速能力，增強在未知海情水域的自主作業(yè)能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為滿足在一定海情等級以下的未知水域進行自主起飛的控制需求，本發(fā)明的目的是提供一種水上無人機水面自主操縱控制方法，進行有界未知不確定海浪干擾下的水上無人機姿態(tài)控制。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種水上無人機水面自主操縱控制方法，其特征在于，包括:
[0008]變參數(shù)PID控制器接收縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的縱傾角誤差Qe，然后根據(jù)所述縱傾角誤差Θ e計算得到俯仰角速率指令q-并輸出給內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器；所述縱傾角誤差為所述縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的差；
[0009]內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器分別接收速度指令Vrand和俯仰角速率指令qMd，然后計算得到油門指令標(biāo)稱值Sthtl和升降舵指令標(biāo)稱值Se0;
[0010]內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器接收油門指令Sth、升降舵指令66和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T，并計算得到油門干擾當(dāng)量估計值Ztl和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1;所述油門指令Sth是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的油門指令標(biāo)稱值δ_和前一時刻油門干擾當(dāng)量估計值Ztl的差值，所述升降舵指令S e是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的升降舵指令標(biāo)稱值δ e0與前一時刻所述升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1的差值；
[0011]水上無人機動力學(xué)模塊接收油門指令δ th和升降舵指令δ e，并根據(jù)油門指令δ th和升降舵指令\計算得到水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T和縱傾角Θ，所述水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T輸出給內(nèi)環(huán)擴張狀態(tài)觀測器；所述縱傾角Θ用于計算縱傾角誤差Θ eo
[0012]本發(fā)明還提供了一種水上無人機水面自主操縱控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0013]變參數(shù)PID控制器，接收縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的縱傾角誤差，然后根據(jù)所述縱傾角誤差Θ e計算得到俯仰角速率指令q-并輸出給內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器；所述縱傾角誤差為所述縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的差；
[0014]內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器，分別接收速度指令Vemd和俯仰角速率指令qemd，然后計算得到油門指令標(biāo)稱值Sthci和升降舵指令標(biāo)稱值Se0;
[0015]內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器，接收油門指令δ th、升降舵指令δ e和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T，并計算得到油門干擾當(dāng)量估計值Ztl和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1;所述油門指令Sth是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的油門指令標(biāo)稱值δ_和前一時刻油門干擾當(dāng)量估計值Ztl的差值，所述升降舵指令S e是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的升降舵指令標(biāo)稱值δ e0與前一時刻所述升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1的差值；
[0016]水上無人機動力學(xué)模塊，接收油門指令Sth和升降舵指令δε，并根據(jù)油門指令Sth和升降舵指令\計算得到水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T和縱傾角Θ，所述水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T輸出給內(nèi)環(huán)擴張狀態(tài)觀測器；所述縱傾角Θ用于計算縱傾角誤差Θ e。
[0017]本發(fā)明具有的積極效果:
[0018](I)不需要提前知道海情信息，采用擴張狀態(tài)觀測器實時估計海浪干擾并進行有效補償，可以實現(xiàn)在一定海情等級以下的未知水域有效穩(wěn)定地自主起飛。
[0019](2)采用速度適應(yīng)的控制參數(shù)調(diào)整機制，可以實現(xiàn)在寬速域下的姿態(tài)控制精度要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明中水上無人機水面自主操縱控制方法原理圖；
[0021]圖2(a)示出了本發(fā)明中水上無人機縱傾角指令隨速度進行自動調(diào)整的曲線示意圖；
[0022]圖2 (b)示出了本發(fā)明中變參數(shù)PID控制器參數(shù)隨速度進行自動調(diào)整的曲線示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明中水上無人機動力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)框架圖；
[0024]圖4是本發(fā)明中內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器結(jié)構(gòu)框架示意圖；
[0025]圖5是本發(fā)明中內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器的結(jié)構(gòu)框架圖。

【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細說明，具體實施例如下所述:
[0027]圖1為本發(fā)明提出的水上無人機水面自主操縱控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其包括變參數(shù)PID控制器1、內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2、內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器3和水上無人機動力學(xué)模型4。Θ cmd為縱傾角指令，用于形成水上無人機縱向控制的目標(biāo)值；Θ為縱傾角，用于形成縱向控制的角度測量值；縱傾角誤差Θ e，用于形成縱向控制角度跟蹤的信號輸入；Vcmd為速度指令，用于形成水面速度控制的目標(biāo)值；q-為俯仰角速率指令，用于形成俯仰角速率跟蹤控制的目標(biāo)值；S th，δ e分別為油門指令和升降舵指令，用于發(fā)動機和升降舵舵機的控制指令；δ th0, δ e0分別為油門指令標(biāo)稱值和升降舵指令標(biāo)稱值，用于表示無干擾情況下的油門和升降舵指令.，ζ0, Z1分別為油門干擾當(dāng)量和升降舵干擾當(dāng)量估計值，用于干擾情況下油門和升降舵指令的補償；X= [V q]T為水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量，V為水上飛機速度，Q為俯仰角速率，V, q分別為水上飛機速度和俯仰角的測量值。
[0028]水上無人機水面自主操縱控制方法的原理是:變參數(shù)PID控制器I主要用于縱傾角的姿態(tài)控制，實時計算ΘΜ(ΓΘ得到縱傾角誤差Θ 并經(jīng)過PID控制方法輸出俯仰角速率指令，該指令包括俯仰角速率的期望值q-;內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2采用動態(tài)逆的非線性控制方法，對于水上無人機的內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T進行非線性解耦控制，形成油門指令標(biāo)稱值和升降舵指令標(biāo)稱值StM，δ μ;內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器3接收水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T和油門指令和升降舵指令δΑ，，實時估計速度方向和俯仰力矩方向的海浪干擾力和干擾力矩，形成油門干擾當(dāng)量和升降舵干擾當(dāng)量估計值Zo，Z1 ;油門指令標(biāo)稱值和升降舵指令標(biāo)稱值StM，δε(ι與油門干擾當(dāng)量和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z(l，Zl相減，可以得到油門指令和升降舵指令Sth，δ6θ
[0029]這種方法采用水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X = [V q]T和縱傾角Θ控制相互嵌套的方案，內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2、內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器3、水上無人機動力學(xué)模型處理器4組成內(nèi)回路控制，主要用于水上無人機速度V有效跟蹤速度控制目標(biāo)值一速度指令Vcmd和俯仰角q跟蹤俯仰角速率控制目標(biāo)值一俯仰角速率指令q-，具體說明如下:參見圖1，可以看至IJ內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2的輸入是速度指令Vcmd、俯仰角速率指令q-和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X = [V q]T，其中V為水上飛機速度，q為俯仰角速率。
[0030]內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2的輸出是油門指令標(biāo)稱值和升降舵指令標(biāo)稱值δ th0, δ e0,并與內(nèi)環(huán)擴張狀態(tài)觀測器3的輸出(油門干擾當(dāng)量和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z(l，Z1)相減，可以得到油門指令和升降舵指令Sth，，輸入到水上無人機動力學(xué)模型處理器4，形成閉環(huán)控制機制，實現(xiàn)水上無人機速度V有效跟蹤速度控制目標(biāo)值。變參數(shù)PID控制器I和縱傾角Θ的狀態(tài)反饋，組成外回路控制，主要用于水上無人機縱傾角Θ有效跟蹤縱傾角控制目標(biāo)值——縱傾角指令Θ ，具體說明如下，參見圖1，變參數(shù)PID控制器I的輸入是縱傾角誤差Θ e,經(jīng)過PID控制器計算，形成俯仰角速率指令q-，結(jié)合上述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2使得俯仰角q跟蹤俯仰角速率控制目標(biāo)值一俯仰角速率指令Qcmd，形成縱傾角Θ的閉環(huán)控制機制，從而實現(xiàn)縱傾角Θ有效跟蹤縱傾角控制目標(biāo)值一縱傾角指令Θ-。
[0031]水上無人機水面自主操縱控制方法的具體步驟是:
[0032]變參數(shù)PID控制器1，其接收縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的縱傾角誤差，然后根據(jù)所述縱傾角誤差Θ e計算得到俯仰角速率指令qMd并輸出給內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器；所述縱傾角誤差為所述縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的差；
[0033]內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2，其分別接收速度指令VMd(由用戶輸入的速度期望值)和俯仰角速率指令q-，然后根據(jù)內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2設(shè)計的控制器(具體詳見后述公式5)計算得到油門指令標(biāo)稱值Sthtl，并根據(jù)內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2設(shè)計的控制器(具體詳見后述公式5)計算得到升降舵指令標(biāo)稱值δ e0 ；
[0034]內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器3，其接收油門指令δ th、升降舵指令δ e和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T，并根據(jù)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器32 (見公式9)計算得到油門干擾當(dāng)量估計值Ztl，根據(jù)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器32 (見公式9)，計算得到升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1 ;所述油門指令δ th是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2輸出的油門指令標(biāo)稱值δ th0和前一時刻油門干擾當(dāng)量估計值Ztl的差值，所述升降舵指令S e是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器2輸出的升降舵指令標(biāo)稱值δ e0與前一時刻所述升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1的差值；
[0035]水上無人機動力學(xué)模型4，其接收油門指令δ th和升降舵指令δ e,并根據(jù)油門指令Sth和升降舵指令計算得到水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T和縱傾角Θ，采用的方式是公式I基礎(chǔ)上的數(shù)值積分計算，所述水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T輸出給內(nèi)環(huán)擴張狀態(tài)觀測器3;所述縱傾角Θ用于計算縱傾角誤差Θ#
[0036]圖2(a)是示出了本發(fā)明中水上無人機縱傾角指令Θ-隨速度V進行自動調(diào)整的曲線示意圖；圖2(13)示出了本發(fā)明中變參數(shù)PID控制器參數(shù)隨速度V進行自動調(diào)整的曲線示意圖。水上無人機的縱傾角指令9?d在起飛加速過程中，存在一個上不穩(wěn)定區(qū)和下不穩(wěn)定區(qū)，只有在一定范圍內(nèi)縱傾角指令才是可以穩(wěn)定控制的，縱傾角指令隨速度變化進行自動調(diào)節(jié)。同時縱傾角控制的參數(shù)在起飛加速過程中，進行線性插值計算。
[0037]變參數(shù)PID控制器I具體的設(shè)計方法如下:
[0038]根據(jù)圖2(a)?(b)所示，選取水上無人機縱傾角指令Θ cmd的典型指令曲線，選取特征速度值V1, V2,…，Vn(在速度區(qū)間內(nèi)均勻取值)，所選取的所述特征速度值V1, V2,…，Vn在所選取的典型指令曲線上對應(yīng)的水上無人機縱傾角指令典型值為eMdl，0Md2，…，Θ cmdn,對于水上飛機速度V按照上述特征速度值和縱傾角指令典型值進行線性插值，得到當(dāng)前速度下的水上無人機縱傾角指令0Md。
[0039]縱傾角控制采用變參數(shù)PID控制器，iU, =+ k!ki{V)Oc + MT)]"Gd!,
其中，06是縱傾角誤差，()是縱傾角誤差06的導(dǎo)數(shù)；控制器參數(shù)為比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)分別為kep(v)，ked(V), kei(V)，是隨速度的變化量，即kep，ked,kei是速度V的函數(shù)，分別為縱傾角控制的比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)，選取特征速度值V1, V2,…，Vn和縱傾角控制的比例系數(shù)典型值kepl，kep2，…，kepn，進行

K ,-VV-V1
線性插值得到+ 一其中i的取值為u e [I, n] |V,< V < Vi+1}。k e d (V)，k e i (V)的計算方法類似，k,tl (I I = /<?, l: '^l + /<,ih , I~!—，
^ i+l ~ ^ i,‘ /+1- ^ i
j rj rY _ Y
m =.: 1 ~r +k,,, 1-一七，其中 i 的取值為 Ue [1，11]%<￥<\+1}，分別為縱
'' i^ UA ~ ^ i
傾角控制的微分系數(shù)和積分系數(shù)的線性插值方法，其中kedl，ked2，-,kedn^kenAe^,…，k0in分別是針對特征速度值V1, V2,…，Vn的微分系數(shù)典型值、積分系數(shù)典型值。
[0040]圖3是水上無人機動力學(xué)模型，可以表示為:

【權(quán)利要求】
1.一種水上無人機水面自主操縱控制方法，其特征在于，包括: 變參數(shù)PID控制器接收縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的縱傾角誤差Θ 然后根據(jù)所述縱傾角誤差Θ e計算得到俯仰角速率指令qMd并輸出給內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器；所述縱傾角誤差為所述縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的差； 內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器分別接收速度指令Vrand和俯仰角速率指令qMd，然后計算得到油門指令標(biāo)稱值Sthci和升降舵指令標(biāo)稱值Se0; 內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器接收油門指令S th、升降舵指令和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X=[V q]T，并計算得到油門干擾當(dāng)量估計值Ztl和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1;所述油門指令δ th是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的油門指令標(biāo)稱值δ th0和前一時刻油門干擾當(dāng)量估計值Ztl的差值，所述升降舵指令\是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的升降舵指令標(biāo)稱值8e0與前一時刻所述升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1的差值； 水上無人機動力學(xué)模塊接收油門指令Sth和升降舵指令\，并根據(jù)油門指令Sth和升降舵指令\計算得到水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T和縱傾角Θ，所述水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V ^7輸出給內(nèi)環(huán)擴張狀態(tài)觀測器；所述縱傾角Θ用于計算縱傾角誤差θ e。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，俯仰角速率指令qMd如下計算:
其中，Θ 0^是縱傾角誤差，武是縱傾角誤差0^的導(dǎo)數(shù)；kep，ked，kei是速度V的函數(shù)，分別為縱傾角控制的比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述計算得到油門指令標(biāo)稱值δ_和升降舵指令標(biāo)稱值δ e(l具體包括: 利用接收到的系統(tǒng)控制指令中的系統(tǒng)期望的速度指令Vcffld和俯仰角速率指令qMd計算得到系統(tǒng)過渡過程中速度指令和俯仰角速率指令； 根據(jù)系統(tǒng)過渡過程中速度指令和俯仰角速率指令計算得到油門指令標(biāo)稱值δ th0和升降舵指令標(biāo)稱值S e0。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，如下計算得到系統(tǒng)過渡過程中速度指令和俯仰角速率指令:
JTd -二 KiXt1-X) 其中，Xd= [Vd qd]為系統(tǒng)過渡過程中的速度指令Vd和系統(tǒng)過渡過程中的俯仰角速率指令qd，Xc = [Vcmd qcmd]為系統(tǒng)期望的速度指令Vcmd和俯仰角速率指令qMd，K為期望特征矩陣，X= [V q]T為水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量，其中V為水上無人機速度，q為俯仰角速率。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，計算得到油門指令標(biāo)稱值δ_和升降舵指令標(biāo)稱值L:
其中，f(X)，g(X)為水上無人機非線性系統(tǒng)矩陣，Xd= [Vd qd]為系統(tǒng)過渡過程中的速Q(mào) —度指令Vd和系統(tǒng)過渡過程中的俯仰角速率指令qd，K為期望特征矩陣L & I其中匕和k2是系統(tǒng)過渡過程的一階慣性時間常數(shù)，Xc= [Vcffld Qcffld]為系統(tǒng)期望的速度指令Vcffld和俯仰角速率指令q-,Χ = [V q]T為水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量，其中V為水上無人機速度，q為俯仰角速率。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述油門干擾當(dāng)量估計值Z0和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1如下計算:
zO 一 A 2v/gv，zI 一 A 2q/gq 其中，Λ2ν，A2q為水上無人機速度和俯仰角速率的對應(yīng)的回歸函數(shù)fv，fq的估計值，Λ ^Ma0Cj +(Μ^ cosa()4為俯仰角速率q的回歸函數(shù)，fv = (Gxa-Da)V為水上無人機速度V的回歸函數(shù)，gv, gq為對應(yīng)的控制輸入增益；a t為發(fā)動機安裝角；MbJ為推力俯仰力矩系數(shù)，Ma0為零升力俯仰力矩，Da為空氣阻力，Gxa為重力沿穩(wěn)定坐標(biāo)X軸的分量。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V卩]7和縱傾角Θ如下計算得到:
其中，m為水上無人機質(zhì)量；V為水上無人機速度；T = t( δ th)為發(fā)動機推力，是油門指令δ th的函數(shù)；u' , w'為機體坐標(biāo)系下的飛行速度；a表示水上無人機迎角；a t為發(fā)動機安裝角；NW為飛機底部的水動壓力；Da為空氣阻力；Df為水動阻力；q為俯仰角速率；Iy為縱向俯仰轉(zhuǎn)動慣量；xg，zg為大地坐標(biāo)系下位置；Θ為飛機縱傾角，g為重力加速度；Gxa，Gza為重力沿坐標(biāo)X、z軸下的分量;Ma，Mw, Mt分別為空氣、水動力和發(fā)動機產(chǎn)生的俯仰力矩，La為氣動升力。
8.—種水上無人機水面自主操縱控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 變參數(shù)PID控制器，接收縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的縱傾角誤差，然后根據(jù)所述縱傾角誤差Θ e計算得到俯仰角速率指令qMd并輸出給內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器；所述縱傾角誤差為所述縱傾角指令θ-和縱傾角Θ的差； 內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器，分別接收速度指令Vcffld和俯仰角速率指令qMd，然后計算得到油門指令標(biāo)稱值Sthtl和升降舵指令標(biāo)稱值Se0; 內(nèi)環(huán)擴展?fàn)顟B(tài)觀測器，接收油門指令S th、升降舵指令和水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T，并計算得到油門干擾當(dāng)量估計值Ztl和升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1 ;所述油門指令δ th是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的油門指令標(biāo)稱值δ th0和前一時刻油門干擾當(dāng)量估計值Zo的差值，所述升降舵指令\是所述內(nèi)環(huán)動態(tài)逆控制器輸出的升降舵指令標(biāo)稱值δε0與前一時刻所述升降舵干擾當(dāng)量估計值Z1的差值； 水上無人機動力學(xué)模塊，接收油門指令δ th和升降舵指令δ e,并根據(jù)油門指令δ th和升降舵指令\計算得到水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V q]T和縱傾角Θ，所述水上無人機內(nèi)環(huán)狀態(tài)變量X= [V ^7輸出給內(nèi)環(huán)擴張狀態(tài)觀測器；所述縱傾角Θ用于計算縱傾角誤差Θ e°
【文檔編號】G05D1/08GK104199456SQ201410449085
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】范國梁, 易建強 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所