李宏源，鄒 勇，鄒宇城，呂鵬宇，段慧玲

(1.北京大學(xué) 工學(xué)院，北京 100871；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266237；3.北京大學(xué)南昌創(chuàng)新研究院，江西 南昌 330096)

0 引言

長期以來，海洋安全相關(guān)問題一直是世界各國關(guān)注的重點。隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭形式逐漸向無人化、立體化轉(zhuǎn)變，世界各國對國防設(shè)施和戰(zhàn)略武器更新?lián)Q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(zhàn)裝備研發(fā)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(zhàn)裝備，在國家海洋安全防衛(wèi)體系中扮演著重要角色，而傳統(tǒng)的單介質(zhì)航行器在多維態(tài)勢感知、信息交互、突防攻擊等方面的能力受到環(huán)境制約，無法滿足當(dāng)前國際形勢下的航行器作戰(zhàn)要求，研發(fā)一種仿生水-空跨介質(zhì)航行器已成為軍事強國的重要發(fā)展方向[1–2]。仿生水-空跨介質(zhì)航行器作為一類能夠在不同環(huán)境介質(zhì)下執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，并且可以自主導(dǎo)航控制和自主決策作業(yè)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(xié)同作戰(zhàn)，利用敵方目標(biāo)空中威脅識別區(qū)和水下威脅識別區(qū)因介質(zhì)物理上的不同而形成的割裂，通過水-空介質(zhì)間的反復(fù)切換，有效規(guī)避打擊，實施突防攻擊任務(wù)，其發(fā)展對未來戰(zhàn)爭具有重要意義[3–5]。

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

針對航行器控制系統(tǒng)中主要存在的問題，本文對仿生水-空跨介質(zhì)航行器的兩棲多模態(tài)跨域運動控制和自抗擾控制兩項關(guān)鍵技術(shù)研究作簡要介紹，同時結(jié)合仿生水-空跨介質(zhì)航行器的作戰(zhàn)性能指標(biāo)和主要特點對航行器軟硬件控制系統(tǒng)和多機構(gòu)協(xié)同推進系統(tǒng)進行有效設(shè)計。

1 兩棲多模態(tài)跨域運動控制技術(shù)

考慮仿生水-空跨介質(zhì)航行器需面臨復(fù)雜多變的跨域運動環(huán)境，而航行器需滿足特定的作戰(zhàn)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(tǒng)任務(wù)指標(biāo)，因航行器在不同模態(tài)（水下、水面、空中）的控制執(zhí)行對象和執(zhí)行任務(wù)目標(biāo)的不同，對水-空跨介質(zhì)航行器的兩棲多模態(tài)跨域運動控制這一關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究，其中水-空跨介質(zhì)航行器的兩棲多模態(tài)跨域運動控制方案如圖1 所示。

圖1 兩棲多模態(tài)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(jù)接收的任務(wù)指令信息及當(dāng)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(dāng)前航行器的所處環(huán)境介質(zhì)狀態(tài)，再對航行器當(dāng)前的控制模式進行靈活切換，分別包括空中模態(tài)、水面模態(tài)、水下模態(tài)。針對不同的運行模態(tài)，可分別控制不同的航行器執(zhí)行機構(gòu)完成特定的空中-水面-水下航行任務(wù)。其中空中模態(tài)和水面模態(tài)之間可以根據(jù)任務(wù)需求互相轉(zhuǎn)換，水面模態(tài)與水下模態(tài)之間也可相互轉(zhuǎn)換。空中模態(tài)控制主要包括空翼控制，空中螺旋槳控制、空中方向調(diào)節(jié)機構(gòu)控制。水面模態(tài)控制主要包括超空泡水翼、噴水推進器、水面方向調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制。水下模態(tài)包含了噴水推進器和水下方向調(diào)節(jié)機構(gòu)的組合控制。如何根據(jù)實際環(huán)境對航行器控制模態(tài)進行靈活切換是一個關(guān)鍵核心技術(shù)，對提高航行器在跨域運動的過程中的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。

2 復(fù)雜海洋環(huán)境下的自抗擾控制技術(shù)

考慮到水-空跨介質(zhì)航行器在跨域執(zhí)行航行任務(wù)的過程中容易受到外界海洋環(huán)境的影響（如不穩(wěn)定的風(fēng)、波浪、流），因此，需要設(shè)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(diào)整姿態(tài)、航速、航向使得航行器始終保持穩(wěn)定狀態(tài)[10]，跨域航行自抗擾控制任務(wù)運行流程如圖2 所示。首先，航行器航行任務(wù)從攜帶的傳感器中獲取當(dāng)前位置信息和由自動駕駛單元預(yù)先設(shè)定的控制目標(biāo)信息，再計算當(dāng)前狀態(tài)和控制目標(biāo)（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(zhí)行機構(gòu)的期望調(diào)節(jié)位置，進而實現(xiàn)水-空跨介質(zhì)航行器空中水下潛行、水面航行，空中飛行、姿態(tài)調(diào)整、路徑閉環(huán)等控制功能[11–12]。

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

圖3 為水-空跨介質(zhì)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(tǒng)主要由多傳感器對航行器在空中的實際姿態(tài)進行感知，再計算控制目標(biāo)與實際目標(biāo)的差值，最后利用ADRC 算法計算出相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)的輸出控制量?？刂瓶驁D中A0為控制目標(biāo)值，A1為傳感器實際測量值，e為目標(biāo)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(zhì)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(jù)水-空跨介質(zhì)航行器運行速度不同而采用不同的控制參數(shù)，因而ADRC 的離散化控制算法有以下形式：

為消除高頻抖振現(xiàn)象，設(shè)計函數(shù)fal()有如下形式：

其中：v為目標(biāo)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(biāo)值v快慢的速度因子；z11和z12為中間過渡狀態(tài)變量；β01和 β02為擴張狀態(tài)觀測器的可調(diào)參數(shù)；β1為控制器的反饋增益；u1為控制量輸出。

3 多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)

3.1 水下多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)

仿生水-空跨介質(zhì)航行器的水下多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)主要包括深度計、多普勒測速儀、高度計、光纖慣導(dǎo)、水下方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、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(dǎo)傳感器實時感知當(dāng)前航行器狀態(tài)信息，再將信息反饋至模糊PID 控制環(huán)節(jié)，采用模糊PID 控制算法對水下多機構(gòu)協(xié)同推進系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，并將控制信息傳輸至水下方向調(diào)節(jié)機構(gòu)與噴水推進器，最終實現(xiàn)航行器水下的上浮、下潛、水平自由移動、航向自由轉(zhuǎn)變等航行功能?；谀：齈ID 控制的水下多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 水下多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of underwater multi-mechanism cooperative propulsion control system

3.2 水面多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)

水面多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)主要由超空泡水翼收縮機構(gòu)，水面方向調(diào)節(jié)機構(gòu)、噴水推進器組成，實現(xiàn)航行器在水面上的高速航行，航向轉(zhuǎn)變等功能，其中水面推進系統(tǒng)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(gòu)協(xié)同推進系統(tǒng)控制，同時由入水檢測傳感器、光纖慣導(dǎo)、多普勒測速儀傳感器信息融合感知當(dāng)前航行器狀態(tài)信息，用于控制反饋調(diào)節(jié)水面推進控制系統(tǒng)。水面多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)設(shè)計如圖5 所示。

圖5 水面多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of water surface multi-mechanism cooperative propulsion control system

4 跨域控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

4.1 基于CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

仿生水-空跨介質(zhì)航行器分布式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖6 所示，硬件系統(tǒng)主要分為信息感知單元，通信單元，執(zhí)行單元，決策單元四大單元設(shè)計。其中系統(tǒng)中執(zhí)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(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提高系統(tǒng)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(dǎo)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(zhǔn)確地描述航行器狀態(tài)。同時控制系統(tǒng)中決策單元依靠通信單元中1.4 GHz 圖傳數(shù)傳模塊、北斗衛(wèi)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(zhì)航行器的跨域通信控制策略，有效保證航行器在執(zhí)行任務(wù)時的穩(wěn)定通訊連接。

圖6 基于CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)設(shè)計

仿生水-空跨介質(zhì)航行器上位機軟件系統(tǒng)采用基于分層體系結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計方法，軟件系統(tǒng)設(shè)計方式如圖7 所示，整個系統(tǒng)采用集中處理方式，中央數(shù)據(jù)庫是軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，與其他相關(guān)節(jié)點構(gòu)建成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中每個節(jié)點都與中央數(shù)據(jù)庫建立唯一的通信，可保證節(jié)點間相互獨立，消除點對點直接通信，從而減少相互依賴關(guān)系，防止因獨立節(jié)點損壞導(dǎo)致整個軟件系統(tǒng)崩潰。

圖7 分層體系結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)設(shè)計示意圖Fig.7 Software system design schematic of layered architecture

5 結(jié)語

本文結(jié)合仿生水-空跨介質(zhì)航行器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了目前水-空跨介質(zhì)航行器控制系統(tǒng)中存在的主要問題，提出了航行器兩棲多模態(tài)跨域運動控制和自抗擾控制兩項關(guān)鍵性技術(shù)，并對仿生水-空跨介質(zhì)航行器的軟硬件控制系統(tǒng)及多機構(gòu)協(xié)同推進控制系統(tǒng)進行設(shè)計?？梢灶A(yù)見，隨著仿生水-空跨介質(zhì)航行器的控制技術(shù)發(fā)展完善，其所能夠執(zhí)行的作戰(zhàn)任務(wù)將更加復(fù)雜，仿生水-空跨介質(zhì)航行器也將在我國海洋安全保障當(dāng)中發(fā)揮出更加重要的作用。