仿生水-空跨介質航行器控制系統研究

李宏源，鄒 勇，鄒宇城，呂鵬宇，段慧玲

(1.北京大學 工學院，北京 100871；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237；3.北京大學南昌創新研究院，江西 南昌 330096)

0 引言

長期以來，海洋安全相關問題一直是世界各國關注的重點。隨著現代化戰爭形式逐漸向無人化、立體化轉變，世界各國對國防設施和戰略武器更新換代的進程不斷加快，對新型高性能海洋裝備的需求愈加緊迫。我國對海上無人作戰裝備研發也給予了高度重視，其中自主式航行器作為重要的海上作戰裝備，在國家海洋安全防衛體系中扮演著重要角色，而傳統的單介質航行器在多維態勢感知、信息交互、突防攻擊等方面的能力受到環境制約，無法滿足當前國際形勢下的航行器作戰要求，研發一種仿生水-空跨介質航行器已成為軍事強國的重要發展方向[1–2]。仿生水-空跨介質航行器作為一類能夠在不同環境介質下執行作戰任務，并且可以自主導航控制和自主決策作業的自航載體，既能隱蔽于水下，又能突防于空中，使其難以被追蹤鎖定，同時可支持全空間協同作戰，利用敵方目標空中威脅識別區和水下威脅識別區因介質物理上的不同而形成的割裂，通過水-空介質間的反復切換，有效規避打擊，實施突防攻擊任務，其發展對未來戰爭具有重要意義[3–5]。

控制系統作為水-空跨介質航行器載體的重要組成部分，目前，學者們已對其展開了相關研究[6–7]，但還存在一些問題：1）難以實現航行器的穩定平滑跨域運動控制；2）針對固定翼變體結構的仿生水-空跨介質航行器跨域運動控制仍未有可靠的解決辦法；3）如何實現水-空跨介質航行器在不同環境介質下控制方式的靈活切換；4）如何設計不同環境介質下的水-空跨介質航行器動力推進系統[8–9]。

針對航行器控制系統中主要存在的問題，本文對仿生水-空跨介質航行器的兩棲多模態跨域運動控制和自抗擾控制兩項關鍵技術研究作簡要介紹，同時結合仿生水-空跨介質航行器的作戰性能指標和主要特點對航行器軟硬件控制系統和多機構協同推進系統進行有效設計。

1 兩棲多模態跨域運動控制技術

考慮仿生水-空跨介質航行器需面臨復雜多變的跨域運動環境，而航行器需滿足特定的作戰要求，包括水下定深潛行、水面高速航行、空中定高航行等控制系統任務指標，因航行器在不同模態（水下、水面、空中）的控制執行對象和執行任務目標的不同，對水-空跨介質航行器的兩棲多模態跨域運動控制這一關鍵技術展開深入研究，其中水-空跨介質航行器的兩棲多模態跨域運動控制方案如圖1 所示。

圖1 兩棲多模態跨域運動控制圖Fig.1 Amphibious multimodal cross -domain motion control diagram

由圖1 可知，控制主機根據接收的任務指令信息及當前傳感器感知信息進行模式判斷，通過傳感器反饋信息判別當前航行器的所處環境介質狀態，再對航行器當前的控制模式進行靈活切換，分別包括空中模態、水面模態、水下模態。針對不同的運行模態，可分別控制不同的航行器執行機構完成特定的空中-水面-水下航行任務。其中空中模態和水面模態之間可以根據任務需求互相轉換，水面模態與水下模態之間也可相互轉換?？罩心B控制主要包括空翼控制，空中螺旋槳控制、空中方向調節機構控制。水面模態控制主要包括超空泡水翼、噴水推進器、水面方向調節機構的控制。水下模態包含了噴水推進器和水下方向調節機構的組合控制。如何根據實際環境對航行器控制模態進行靈活切換是一個關鍵核心技術，對提高航行器在跨域運動的過程中的穩定性發揮著重要作用。

2 復雜海洋環境下的自抗擾控制技術

考慮到水-空跨介質航行器在跨域執行航行任務的過程中容易受到外界海洋環境的影響（如不穩定的風、波浪、流），因此，需要設計一種自抗擾的跨域航行控制方法用于航行器在航行過程中自調整姿態、航速、航向使得航行器始終保持穩定狀態[10]，跨域航行自抗擾控制任務運行流程如圖2 所示。首先，航行器航行任務從攜帶的傳感器中獲取當前位置信息和由自動駕駛單元預先設定的控制目標信息，再計算當前狀態和控制目標（俯仰角、橫滾角、航向角、深度/高度、前向速度、垂向速度、位置)的偏差，然后使用自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)方法計算出所需的控制量，最后利用控制量進行計算出所有執行機構的期望調節位置，進而實現水-空跨介質航行器空中水下潛行、水面航行，空中飛行、姿態調整、路徑閉環等控制功能[11–12]。

圖2 跨域航行自抗擾控制任務運行流程Fig.2 Flow chart of active disturbance rejection control for crossdomain navigation

圖3 為水-空跨介質航行器跨域航行自抗擾控制框圖，跨域航行自抗擾控制系統主要由多傳感器對航行器在空中的實際姿態進行感知，再計算控制目標與實際目標的差值，最后利用ADRC 算法計算出相關執行機構的輸出控制量?？刂瓶驁D中A0為控制目標值，A1為傳感器實際測量值，e為目標值與測量值之間的誤差，A為輸出控制量。

圖3 仿生水-空跨介質航行器跨域航行自抗擾控制框圖Fig.3 Block diagram of active disturbance rejection control for bionic water-air transmedia vehicle in cross-domain navigation

圖3 中采用的ADRC 算法可根據水-空跨介質航行器運行速度不同而采用不同的控制參數，因而ADRC 的離散化控制算法有以下形式：

為消除高頻抖振現象，設計函數fal()有如下形式：

其中：v為目標控制值；v1為輸入信號v的跟蹤值；k為采樣時間；h為采樣步長；δ為線性段長度；r0為v1跟蹤目標值v快慢的速度因子；z11和z12為中間過渡狀態變量；β01和 β02為擴張狀態觀測器的可調參數；β1為控制器的反饋增益；u1為控制量輸出。

3 多機構協同推進控制系統

3.1 水下多機構協同推進控制系統

仿生水-空跨介質航行器的水下多機構協同推進控制系統主要包括深度計、多普勒測速儀、高度計、光纖慣導、水下方向調節機構、噴水推進器等模塊。首先由深度計、多普勒測速儀、高度計、光纖慣導傳感器實時感知當前航行器狀態信息，再將信息反饋至模糊PID 控制環節，采用模糊PID 控制算法對水下多機構協同推進系統實現精確控制，并將控制信息傳輸至水下方向調節機構與噴水推進器，最終實現航行器水下的上浮、下潛、水平自由移動、航向自由轉變等航行功能?；谀：齈ID 控制的水下多機構協同推進控制系統如圖4 所示。

圖4 水下多機構協同推進控制系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of underwater multi-mechanism cooperative propulsion control system

3.2 水面多機構協同推進控制系統

水面多機構協同推進控制系統主要由超空泡水翼收縮機構，水面方向調節機構、噴水推進器組成，實現航行器在水面上的高速航行，航向轉變等功能，其中水面推進系統的控制方法與水下控制策略類似，擬采用模糊PID 控制方法對水面多機構協同推進系統控制，同時由入水檢測傳感器、光纖慣導、多普勒測速儀傳感器信息融合感知當前航行器狀態信息，用于控制反饋調節水面推進控制系統。水面多機構協同推進控制系統設計如圖5 所示。

圖5 水面多機構協同推進控制系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of water surface multi-mechanism cooperative propulsion control system

4 跨域控制系統軟硬件設計

4.1 基于CAN 總線的分布式控制系統硬件設計

仿生水-空跨介質航行器分布式控制系統硬件設計框圖如圖6 所示，硬件系統主要分為信息感知單元，通信單元，執行單元，決策單元四大單元設計。其中系統中執行單元的控制策略擬采用基于CAN 總線的分布式控制方式，保證數據傳輸的穩定性，提高系統的抗干擾能力。信息感知單元中的空速管、氣壓高度計、光纖慣導等傳感器擬采用集中式控制策略，利用多傳感器信息進行融合來準確地描述航行器狀態。同時控制系統中決策單元依靠通信單元中1.4 GHz 圖傳數傳模塊、北斗衛星通信模塊、900 MHz 無線電通信模塊、水聲通信機建立了水-空跨介質航行器的跨域通信控制策略，有效保證航行器在執行任務時的穩定通訊連接。

圖6 基于CAN 總線的分布式控制系統硬件設計示意圖Fig.6 Schematic diagram of hardware design of distributed control system based on CAN bus

4.2 基于分層體系結構的軟件系統設計

仿生水-空跨介質航行器上位機軟件系統采用基于分層體系結構的軟件設計方法，軟件系統設計方式如圖7 所示，整個系統采用集中處理方式，中央數據庫是軟件系統的數據核心，與其他相關節點構建成星形拓撲結構，其中每個節點都與中央數據庫建立唯一的通信，可保證節點間相互獨立，消除點對點直接通信，從而減少相互依賴關系，防止因獨立節點損壞導致整個軟件系統崩潰。

圖7 分層體系結構的軟件系統設計示意圖Fig.7 Software system design schematic of layered architecture

5 結語

本文結合仿生水-空跨介質航行器國內外發展現狀，綜述了目前水-空跨介質航行器控制系統中存在的主要問題，提出了航行器兩棲多模態跨域運動控制和自抗擾控制兩項關鍵性技術，并對仿生水-空跨介質航行器的軟硬件控制系統及多機構協同推進控制系統進行設計?？梢灶A見，隨著仿生水-空跨介質航行器的控制技術發展完善，其所能夠執行的作戰任務將更加復雜，仿生水-空跨介質航行器也將在我國海洋安全保障當中發揮出更加重要的作用。