基于扰动观测器增强的同轴HAUV自适应反步跟踪控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30361

电子电气工程与控制

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基于扰动观测器增强的同轴HAUV自适应反步跟踪控制

逯明清¹^,², 廖飞², 高福奎¹, 邢贝贝³, 吴世崇²^,⁴, 范召林², 苏玉民¹, 吴文华²()

^1.哈尔滨工程大学水下智能机器人技术国防科技重点实验室，哈尔滨 150001
^2.中国空气动力研究与发展中心跨域飞行交叉技术实验室，绵阳 621000
^3.上海交通大学海洋学院，上海 200240
^4.中山大学系统科学与工程学院，中山 510006

收稿日期:2024-03-08 修回日期:2024-04-19 接受日期:2024-07-19 出版日期:2024-12-15 发布日期:2024-08-05
通讯作者: 吴文华 E-mail:academicianWWH@163.edu.cn
基金资助:
中国空气动力研究与发展中心风雷青年创新基金(FL018070012);国防重点实验室基金(614222003061709)

Nonlinear disturbance observer enhanced adaptive backstepping tracking control for coaxial HAUV

Mingqing LU¹^,², Fei LIAO², Fukui GAO¹, Beibei XING³, Shichong WU²^,⁴, Zhaolin FAN², Yumin SU¹, Wenhua WU²()

^1.National Key Laboratory of Autonomous Marine Vehicle Technology，Harbin Engineering University，Harbin 　150001，China
^2.Key Laboratory of Cross-domain Flight Crossover Technology，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 　621000，China
^3.School of Oceanography，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 　200240，China
^4.School of Systems Science and Engineering，Sun Yat-Sen University，Zhongshan 　510006，China

Received:2024-03-08 Revised:2024-04-19 Accepted:2024-07-19 Online:2024-12-15 Published:2024-08-05
Contact: Wenhua WU E-mail:academicianWWH@163.edu.cn
Supported by:
The Feng Lei Youth Innovation Fund of CARDC(FL018070012);National Defense Key Laboratory Fund(614222003061709)

摘要/Abstract

摘要：

实现稳定且精确的轨迹跟踪是水空两栖航行器（HAUV）实现跨介质运动操作的前提。为解决同轴HAUV在面临建模不确定性和外界环境复杂干扰的水空跨介质轨迹跟踪控制问题，一种非线性扰动观测器（NDO）增强的自适应反步控制器（ABSC）被设计出来。对同轴HAUV的介质跨越机理进行分析，充分考虑了如水体、风浪流等带来的附加变量，通过设计光滑的过渡函数建立了连续的动力学模型。在反步控制器（BSC）构成的控制器基础框架上，通过集成NDO来估计难以测量的集总不确定性，并引入自适应算法补偿NDO的观测误差。自适应算法和NDO联合作用，共同提高了系统鲁棒性。通过李雅普诺夫理论证明了闭环系统稳定性。仿真结果表明，本文所设计的控制器对未知扰动具有较强抑制能力，能够实现对水-空跨越轨迹的有效跟踪。

关键词: 水空两栖航行器, 水空跨越, 反步控制器, 非线性扰动观测器, 鲁棒控制

Abstract:

The stable and accurate trajectory tracking is a prerequisite for Hybrid Aerial Underwater Vehicle （HAUV） to achieve trans-media motion operation. To address the trajectory tracking control problem of coaxial HAUV in water-air cross-medium environments， which faces modeling uncertainty and complex interference， a Nonlinear Disturbance Observer （NDO） enhanced Adaptive Backstepping Controller （ABSC） is designed. The cross-domain mechanism of coaxial HAUV is analyzed， the additional variables such as water， wind and wave are fully considered， and a continuous cross-media dynamic model is established by using smooth and continuous transition function design. Based on the basic framework of Backstepping Controller（BSC）， the integrated NDO is used to estimate lumped uncertainty which is difficult to measure， and an adaptive algorithm is introduced to compensate the observation error of NDO. The combination of adaptive algorithm and NDO improves the robustness of the system. The stability of the closed loop system is proved by Lyapunov theory. The simulation results show that the controller designed in this paper has a strong ability to suppress the unknown disturbance and can effectively track the water-air cross-domain trajectory.

Key words: hybrid aerial underwater vehicle, air-water trans-medium, backstepping controller, nonlinear disturbance observer, robust control

中图分类号:

V249.1

逯明清, 廖飞, 高福奎, 邢贝贝, 吴世崇, 范召林, 苏玉民, 吴文华. 基于扰动观测器增强的同轴HAUV自适应反步跟踪控制[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 330361.

Mingqing LU, Fei LIAO, Fukui GAO, Beibei XING, Shichong WU, Zhaolin FAN, Yumin SU, Wenhua WU. Nonlinear disturbance observer enhanced adaptive backstepping tracking control for coaxial HAUV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(23): 330361.

图/表 12

图 1

图 2

表 1

同轴HAUV的系统参数

参数	数值	参数	数值
$m / k g$	7.4	$X u \| u \|, X u \| u \| a / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	-8.82， -0.001
$I x / k g ⋅ m 2$	0.232	$Y v \| v \|, Y v \| v \| a / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	-8.82， -0.001
$I y / k g ⋅ m 2$	0.232	$Z w \| w \|, Z w \| w \| a / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	-4.73， -0.000 5
$I z / k g ⋅ m 2$	0.342	$K p \| p \|, K p \| p \| a / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	-0.62， -0.000 6
$X u ˙ / k g$	-2.24	$M q \| q \|, M q \| q \| a / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	-0.62， -0.000 6
$Y v ˙ / k g$	-2.24	$N r \| r \|, N r \| r \| a / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	-0.32， -0.000 3
$Z w ˙ / k g$	-1.24	$R, H / m$	0.06， 0.5
$K p ˙ / k g ⋅ m 2$	-0.083	$r B / m$	［0 0 0.05］
$M q ˙ / k g ⋅ m 2$	-0.083	$ρ w / k g ⋅ m - 3$	1 025
$N r ˙ / k g ⋅ m 2$	-0.051

表 1

表 2

风浪流仿真参数

参数	数值	参数	数值
$A x 1 / m$	0.1	$A y 1 / m$	0.07
$A x 2 / m$	0.03	$A y 1 / m$	0.04
$ω x 1 / r a d ⋅ s - 1$	1	$φ x 1 / r a d$	0
$ω x 2 / r a d ⋅ s - 1$	10	$φ x 2 / r a d$	0
$ω y 1 / r a d ⋅ s - 1$	2	$φ y 1 / r a d$	0
$ω y 2 / r a d ⋅ s - 1$	7	$φ y 2 / r a d$	0
$C d w / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	0.1	$C m$	0.8
$C d c / N ⋅ m - 2 ⋅ s 2$	0.03	$C D$	0.8
$v w / m ⋅ s - 1$	（0.1，0.1，0）	$v c / m ⋅ s - 1$	［-0.1 -0.1 0］

表 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

参考文献 25

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