仿生水-空跨介质航行器控制系统研究

李宏源，邹 勇，邹宇城，吕鹏宇，段慧玲

(1.北京大学 工学院，北京 100871；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237；3.北京大学南昌创新研究院，江西 南昌 330096)

0 引言

长期以来，海洋安全相关问题一直是世界各国关注的重点。随着现代化战争形式逐渐向无人化、立体化转变，世界各国对国防设施和战略武器更新换代的进程不断加快，对新型高性能海洋装备的需求愈加紧迫。我国对海上无人作战装备研发也给予了高度重视，其中自主式航行器作为重要的海上作战装备，在国家海洋安全防卫体系中扮演着重要角色，而传统的单介质航行器在多维态势感知、信息交互、突防攻击等方面的能力受到环境制约，无法满足当前国际形势下的航行器作战要求，研发一种仿生水-空跨介质航行器已成为军事强国的重要发展方向[1–2]。仿生水-空跨介质航行器作为一类能够在不同环境介质下执行作战任务，并且可以自主导航控制和自主决策作业的自航载体，既能隐蔽于水下，又能突防于空中，使其难以被追踪锁定，同时可支持全空间协同作战，利用敌方目标空中威胁识别区和水下威胁识别区因介质物理上的不同而形成的割裂，通过水-空介质间的反复切换，有效规避打击，实施突防攻击任务，其发展对未来战争具有重要意义[3–5]。

控制系统作为水-空跨介质航行器载体的重要组成部分，目前，学者们已对其展开了相关研究[6–7]，但还存在一些问题：1）难以实现航行器的稳定平滑跨域运动控制；2）针对固定翼变体结构的仿生水-空跨介质航行器跨域运动控制仍未有可靠的解决办法；3）如何实现水-空跨介质航行器在不同环境介质下控制方式的灵活切换；4）如何设计不同环境介质下的水-空跨介质航行器动力推进系统[8–9]。

针对航行器控制系统中主要存在的问题，本文对仿生水-空跨介质航行器的两栖多模态跨域运动控制和自抗扰控制两项关键技术研究作简要介绍，同时结合仿生水-空跨介质航行器的作战性能指标和主要特点对航行器软硬件控制系统和多机构协同推进系统进行有效设计。

1 两栖多模态跨域运动控制技术

考虑仿生水-空跨介质航行器需面临复杂多变的跨域运动环境，而航行器需满足特定的作战要求，包括水下定深潜行、水面高速航行、空中定高航行等控制系统任务指标，因航行器在不同模态（水下、水面、空中）的控制执行对象和执行任务目标的不同，对水-空跨介质航行器的两栖多模态跨域运动控制这一关键技术展开深入研究，其中水-空跨介质航行器的两栖多模态跨域运动控制方案如图1 所示。

图1 两栖多模态跨域运动控制图Fig.1 Amphibious multimodal cross -domain motion control diagram

由图1 可知，控制主机根据接收的任务指令信息及当前传感器感知信息进行模式判断，通过传感器反馈信息判别当前航行器的所处环境介质状态，再对航行器当前的控制模式进行灵活切换，分别包括空中模态、水面模态、水下模态。针对不同的运行模态，可分别控制不同的航行器执行机构完成特定的空中-水面-水下航行任务。其中空中模态和水面模态之间可以根据任务需求互相转换，水面模态与水下模态之间也可相互转换。空中模态控制主要包括空翼控制，空中螺旋桨控制、空中方向调节机构控制。水面模态控制主要包括超空泡水翼、喷水推进器、水面方向调节机构的控制。水下模态包含了喷水推进器和水下方向调节机构的组合控制。如何根据实际环境对航行器控制模态进行灵活切换是一个关键核心技术，对提高航行器在跨域运动的过程中的稳定性发挥着重要作用。

2 复杂海洋环境下的自抗扰控制技术

考虑到水-空跨介质航行器在跨域执行航行任务的过程中容易受到外界海洋环境的影响（如不稳定的风、波浪、流），因此，需要设计一种自抗扰的跨域航行控制方法用于航行器在航行过程中自调整姿态、航速、航向使得航行器始终保持稳定状态[10]，跨域航行自抗扰控制任务运行流程如图2 所示。首先，航行器航行任务从携带的传感器中获取当前位置信息和由自动驾驶单元预先设定的控制目标信息，再计算当前状态和控制目标（俯仰角、横滚角、航向角、深度/高度、前向速度、垂向速度、位置)的偏差，然后使用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)方法计算出所需的控制量，最后利用控制量进行计算出所有执行机构的期望调节位置，进而实现水-空跨介质航行器空中水下潜行、水面航行，空中飞行、姿态调整、路径闭环等控制功能[11–12]。

图2 跨域航行自抗扰控制任务运行流程Fig.2 Flow chart of active disturbance rejection control for crossdomain navigation

图3 为水-空跨介质航行器跨域航行自抗扰控制框图，跨域航行自抗扰控制系统主要由多传感器对航行器在空中的实际姿态进行感知，再计算控制目标与实际目标的差值，最后利用ADRC 算法计算出相关执行机构的输出控制量。控制框图中A0为控制目标值，A1为传感器实际测量值，e为目标值与测量值之间的误差，A为输出控制量。

图3 仿生水-空跨介质航行器跨域航行自抗扰控制框图Fig.3 Block diagram of active disturbance rejection control for bionic water-air transmedia vehicle in cross-domain navigation

图3 中采用的ADRC 算法可根据水-空跨介质航行器运行速度不同而采用不同的控制参数，因而ADRC 的离散化控制算法有以下形式：

为消除高频抖振现象，设计函数fal()有如下形式：

其中：v为目标控制值；v1为输入信号v的跟踪值；k为采样时间；h为采样步长；δ为线性段长度；r0为v1跟踪目标值v快慢的速度因子；z11和z12为中间过渡状态变量；β01和 β02为扩张状态观测器的可调参数；β1为控制器的反馈增益；u1为控制量输出。

3 多机构协同推进控制系统

3.1 水下多机构协同推进控制系统

仿生水-空跨介质航行器的水下多机构协同推进控制系统主要包括深度计、多普勒测速仪、高度计、光纤惯导、水下方向调节机构、喷水推进器等模块。首先由深度计、多普勒测速仪、高度计、光纤惯导传感器实时感知当前航行器状态信息，再将信息反馈至模糊PID 控制环节，采用模糊PID 控制算法对水下多机构协同推进系统实现精确控制，并将控制信息传输至水下方向调节机构与喷水推进器，最终实现航行器水下的上浮、下潜、水平自由移动、航向自由转变等航行功能。基于模糊PID 控制的水下多机构协同推进控制系统如图4 所示。

图4 水下多机构协同推进控制系统示意图Fig.4 Schematic diagram of underwater multi-mechanism cooperative propulsion control system

3.2 水面多机构协同推进控制系统

水面多机构协同推进控制系统主要由超空泡水翼收缩机构，水面方向调节机构、喷水推进器组成，实现航行器在水面上的高速航行，航向转变等功能，其中水面推进系统的控制方法与水下控制策略类似，拟采用模糊PID 控制方法对水面多机构协同推进系统控制，同时由入水检测传感器、光纤惯导、多普勒测速仪传感器信息融合感知当前航行器状态信息，用于控制反馈调节水面推进控制系统。水面多机构协同推进控制系统设计如图5 所示。

图5 水面多机构协同推进控制系统示意图Fig.5 Schematic diagram of water surface multi-mechanism cooperative propulsion control system

4 跨域控制系统软硬件设计

4.1 基于CAN 总线的分布式控制系统硬件设计

仿生水-空跨介质航行器分布式控制系统硬件设计框图如图6 所示，硬件系统主要分为信息感知单元，通信单元，执行单元，决策单元四大单元设计。其中系统中执行单元的控制策略拟采用基于CAN 总线的分布式控制方式，保证数据传输的稳定性，提高系统的抗干扰能力。信息感知单元中的空速管、气压高度计、光纤惯导等传感器拟采用集中式控制策略，利用多传感器信息进行融合来准确地描述航行器状态。同时控制系统中决策单元依靠通信单元中1.4 GHz 图传数传模块、北斗卫星通信模块、900 MHz 无线电通信模块、水声通信机建立了水-空跨介质航行器的跨域通信控制策略，有效保证航行器在执行任务时的稳定通讯连接。

图6 基于CAN 总线的分布式控制系统硬件设计示意图Fig.6 Schematic diagram of hardware design of distributed control system based on CAN bus

4.2 基于分层体系结构的软件系统设计

仿生水-空跨介质航行器上位机软件系统采用基于分层体系结构的软件设计方法，软件系统设计方式如图7 所示，整个系统采用集中处理方式，中央数据库是软件系统的数据核心，与其他相关节点构建成星形拓扑结构，其中每个节点都与中央数据库建立唯一的通信，可保证节点间相互独立，消除点对点直接通信，从而减少相互依赖关系，防止因独立节点损坏导致整个软件系统崩溃。

图7 分层体系结构的软件系统设计示意图Fig.7 Software system design schematic of layered architecture

5 结语

本文结合仿生水-空跨介质航行器国内外发展现状，综述了目前水-空跨介质航行器控制系统中存在的主要问题，提出了航行器两栖多模态跨域运动控制和自抗扰控制两项关键性技术，并对仿生水-空跨介质航行器的软硬件控制系统及多机构协同推进控制系统进行设计。可以预见，随着仿生水-空跨介质航行器的控制技术发展完善，其所能够执行的作战任务将更加复杂，仿生水-空跨介质航行器也将在我国海洋安全保障当中发挥出更加重要的作用。