变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置

本发明涉及跨介质飞行器建模与控制，具体为变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置。

背景技术：

1、随着无人系统技术、海空协同探测技术的发展，能够在水下与空中两种介质环境中连续工作的跨介质飞行器逐渐成为研究热点。该类飞行器兼具水下航行与空中飞行能力，能够实现不同介质之间的转换，在海空一体化侦察、快速部署和多域协同等任务场景中具有较高的应用价值。变后掠翼跨介质飞行器通过改变机翼后掠角，可在不同工况下调节飞行器的气动与水动力特性，从而为水下巡航、出水过渡及空中飞行阶段的性能优化提供新的技术途径。

2、对于变后掠翼构型而言，由于后掠角变化会显著影响升力、阻力及俯仰力矩等特性，因此需要在不同后掠角、攻角及运动工况下获取相应的气动或水动力参数，为后续动力学建模和控制设计提供依据。与此同时，在水下阶段，飞行器的纵向运动还涉及定常与非定常水动力特性，其参数获取通常需要结合数值仿真、参数辨识以及动力学建模过程，工作量较大，且难以直接形成适于控制系统设计的统一模型。现有相关研究中，针对单一阶段、单一介质或单一问题开展分析的情况较多，而对水下水动力快速分析、纵向动力学建模、水下巡航控制以及出水前姿态控制进行一体化考虑的技术方案相对不足。

3、此外，在水下巡航末段至出水前阶段，飞行器通常需要同时满足航速、深度与姿态等多项控制要求，若控制不当，飞行器在接近自由液面时容易出现俯仰角较大、姿态较差、稳定性不足等问题，进而导致穿越液面时附加阻力增大，甚至出现扎水、反抬头或姿态突变等不利现象，影响跨介质过渡的平稳性及任务执行效果，因此，如何面向变后掠翼跨介质飞行器建立适用于水下阶段的纵向动力学模型，快速获取与控制相关的水动力参数，并实现水下巡航阶段的定速定深控制以及出水前阶段的姿态—速度协调控制，仍然是现有技术中亟待解决的问题，至此我们提出了变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置。

技术实现思路

1、针对现有变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置的不足，本发明提供了变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置，针对水下巡航阶段设计推进器推力与尾部控制面偏角协调控制策略，实现定速与定深控制，并针对出水前阶段构建基于扩张状态观测器和反步法的姿态—速度协调控制方法，通过对扰动及未建模动态进行在线估计与补偿，使变后掠翼跨介质飞行器能够在复杂水下环境中保持较好的巡航稳定性，并以稳定姿态完成出水前过渡的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、本发明提供如下技术方案：变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法，包括如下步骤：

3、s1、变后掠翼跨介质飞行器建模阶段：获取变后掠翼跨介质飞行器在水下航行阶段的几何模型、结构参数、外形参数及预设运动工况参数并且对模型进行等效简化处理，接着在三维建模软件中进行建模；基于所述三维几何模型在多物理场仿真与计算流体动力学软件和仿真软件中构建水动力数值计算域，设置入口边界、出口边界、外场边界及壁面边界，选取湍流模型并生成计算网格；

4、s2、变后掠翼跨介质飞行器定常水动力分析阶段：在定常运动工况下对飞行器进行水动力数值求解，获得纵向运动相关的稳态力和力矩数据并对数据进行拟合得到水动力系数；

5、s3、变后掠翼跨介质飞行器非定常水动力分析阶段：在非定常运动工况下对飞行器进行水动力数值求解，获得纵向运动相关的非定常力和力矩数据并对数据进行拟合得到水动力系数；

6、s4、变后掠翼跨介质飞行器数学模型建立及控制问题抽象阶段：建立变后掠翼跨介质飞行器的数学模型，并对变后掠翼跨介质飞行器的控制问题进行数学抽象；

7、s5、水下巡航控制阶段：在水下巡航阶段，以期望巡航速度和期望巡航深度为控制目标，设计推进器推力与尾部控制面偏角的协调控制律，实现定速与定深控制；

8、s6、出水前姿态控制阶段：在出水前阶段，将控制目标切换为俯仰角跟踪、俯仰角速度抑制和垂向速度抑制，实现姿态、速度协调控制，使所述飞行器以稳定姿态穿越自由液面。

9、优选的，在步骤s1中，对变后掠翼跨介质飞行器进行三维建模及计算网格划分，具体过程包括：

10、s1.1、在三维建模软件中建立变后掠翼跨介质飞行器的水下三维几何模型， 根据水下纵向运动分析需求，对所述三维几何模型进行工况参数设定，所述工况参数至少包括后掠角、机体姿态角、参考速度和浸水状态；

11、s1.2、对所述三维几何模型进行简化处理，保留其体积影响与连接过渡结构，将实际机翼替换为等长方体平板结构，将简化后的三维几何模型导入多物理场仿真与计算流体动力学软件，生成用于水动力分析的计算模型。

12、s1.3、围绕所述水下分析模型建立外部流场计算域，并设置入口边界、出口边界、对称面或远场边界以及壁面边界，将来流介质设置为水介质，并输入对应的流体密度、动力黏度及重力参数，选取 sst湍流模型；

13、s1.4、采用基于切割体的结构化网格对所述计算域进行网格划分，并在机体表面、机翼前缘与后缘、尾翼附近及尾流区域进行局部加密，计算域范围取飞行器特征长度的8–10倍，对近壁区边界层网格进行控制，以满足湍流求解对近壁分辨率的要求，进行网格无关性检验，获得满足精度要求的最终计算网格。

14、优选的，在步骤s2中，对变后掠翼跨介质飞行器定常运动水动力进行数值计算，具体过程包括：

15、s3.1、设置飞行器沿体轴 x 方向的直航工况，获取不同航速条件下的纵向阻力数据；

16、s3.2、设置飞行器沿体轴 z 方向的直航工况，将飞行器机头旋转 90并改变主流方向，实现垂直上升或下潜过程的数值模拟，获取不同垂向速度条件下的垂向力数据；

17、s3.3、设置飞行器在纵向平面内的斜航工况，通过在水平直航的基础上引入一定攻角，使流场同时具有水平与垂直速度分量，获取不同工况下的垂向力与俯仰力矩数据；

18、s3.4、对获得的定常力和力矩数据进行拟合，得到与纵向直航和斜航相关的定常水动力导数。

19、优选的，在步骤s3中，对变后掠翼跨介质飞行器非定常运动水动力进行数值计算，具体过程包括：

20、s4.1、利用动网格技术设置飞行器在纵向平面内的纯升沉运动，使飞行器按预设频率和预设振幅沿垂向做周期性运动，记录纯升沉运动过程中飞行器所受垂向力和俯仰力矩的时域响应数据；

21、s4.2、利用动网格技术设置飞行器绕横向轴的纯俯仰运动，使飞行器按预设频率和预设振幅做周期性俯仰振荡，记录纯俯仰运动过程中飞行器所受垂向力和俯仰力矩的时域响应数据；

22、s4.3、对非定常时域响应数据进行拟合，基于纯升沉运动数据辨识与垂向速度、垂向加速度相关的无因次水动力系数，基于纯俯仰运动数据辨识与俯仰角速度、俯仰角加速度相关的无因次水动力系数。

23、优选的，在步骤s4中构建了变后掠翼跨介质飞行器的动力学模型并对控制问题进行数学抽象，具体过程包括：

24、s4.1、根据辨识得到的定常和非定常水动力导数系数，筛选与纵向运动相关的系数项，忽略对纵向运动影响较小的横向耦合项，仅保留与航速、升沉和俯仰有关的耦合项，依据单自由度非定常运动结果与纵向耦合系数等价关系，推算完整的纵向耦合水动力系数；

25、s4.2、对变后掠翼跨介质飞行器水下受外力及外力矩进行分析，其外力主要包括重力，浮力，推进力及水动力，得到变后掠翼跨介质飞行器的水下纵向动力学方程：

26、；

27、其中，为飞行器的质量，为飞行器绕体轴系横向轴的俯仰转动惯量；分别表示飞行器在体轴系方向上的线速度，分别表示绕体轴系轴的角速度，其中为俯仰角速度；分别为体轴前向速度、垂向速度和俯仰角速度的时间导数；为俯仰角，体轴系原点取在飞行器质心处，轴指向机体前方，轴指向右方，轴指向下方。

28、为无因次水动力导数系数，其中类系数对应体轴前向水动力，类系数对应体轴垂向水动力，类系数对应俯仰水动力矩；下标表示该水动力项对应的运动变量或耦合变量。例如，表示由前向加速度引起的前向水动力系数，表示由耦合项引起的前向水动力系数，表示由垂向加速度引起的垂向水动力系数，表示由耦合项引起的垂向水动力系数，表示由俯仰角加速度引起的俯仰水动力矩系数，表示由耦合项引起的俯仰力矩系数。

29、为水介质密度，为飞行器特征长度。公式中各水动力项按照无因次化规则乘以及不同阶次的，用于将无因次水动力导数转换为有量纲的力或力矩。一般而言，含的项反映附加质量或附加惯性效应；含的项反映定常或准定常水动力作用；含等乘积的项反映不同自由度运动之间的非线性耦合水动力作用。

30、和分别表示推进系统在体轴和方向上的推力分量，表示作用于俯仰通道的外加控制力矩或等效俯仰控制力矩；为飞行器重力，为浮力。和分别表示重力与浮力合力在体轴前向和垂向方向上的分量。由于重力与浮力方向在惯性系中确定，而动力学方程在体轴系中建立，因此其在体轴方向上的投影与俯仰角有关。

31、该动力学方程可理解为：飞行器在水下运动时，其前向、垂向和俯仰方向的运动变化不仅由推力和重浮力差决定，还受到水动力阻尼、附加质量以及纵向运动耦合项的共同影响。

32、s4.3、对水下巡航控制问题进行数学抽象，考虑飞行器在水下巡航阶段速度与深度的控制主要针对和，则面向控制的数学模型可写成：

33、；

34、其中，表示飞行器在地固坐标系方向上的位置，表示地固系垂向位置变化率；表示纵向速度通道的等效质量，表示作用于纵向速度通道的控制推力，在水下巡航阶段通常由水下螺旋桨产生；，为可建模的水动力非线性项，而、表示水下阶段的外界干扰与为建模动态。表示俯仰通道的等效转动惯量，表示作用于俯仰通道的等效控制力矩，通常由尾部升降舵偏转产生；

35、通过调节螺旋桨推力，使得纵向速度能逐渐逼近期望速度，同时调节升降舵偏角，抑制垂向速度并调节俯仰姿态，使运行深度能逐渐逼近期望深度，即将水下巡航控制问题表述为：

36、；

37、其中，表示时间，表示飞行器在时刻的体轴前向速度，即水下巡航速度；表示期望巡航速度；表示飞行器在时刻的运行深度，表示期望巡航深度。

38、同理对出水前的姿态控制进行数学抽象，沿用水下巡航控制的数学模型，通过调节尾部升降舵，使飞行器的俯仰角逐渐逼近期望的小上仰角，并抑制俯仰角速度，使姿态变化趋于平稳，同时通过消除垂向速度，使飞行器的速度方向逐渐与机体纵轴一致，从而沿预设的直线路径平稳上升，即出水前的姿态控制问题可归结为：

39、。

40、其中，表示飞行器在时刻的俯仰角；表示期望俯仰角，通常为出水前设定的小上仰角；表示飞行器在时刻的俯仰角速度；表示飞行器在时刻沿体轴系方向的垂向速度。

41、优选的，在所述步骤s5中，采用反步法设计了水下巡航阶段的速度与深度控制器，具体过程包括：

42、s5.1、针对飞行器的纵向速度子系统中的不确定扰动项，其中，表示纵向速度通道的等效质量；表示螺旋桨产生的推力，即控制输入，表示可建模的水动力项，表示纵向速度通道中的总扰动项。构造扩张状态观测器进行实时估计，结构设计为：

43、；

44、其中，用来估计纵向速度，用来估计扰动项；表示非线性误差反馈函数，用于个悲剧观测误差修正扰动估计值，0.5为非线性函数的收敛阶次参数，为小误差区间阈值参数，用于避免误差接近零时反馈过强。

45、在虚拟推力与实际推力输入之间构建控制滤波器对其进行幅度与速率的双重限制，控制滤波器可表示为状态方程：

46、；

47、其中，表示经过控制滤波器处理后的实际推力指令；表示滤波后推力指令的变化率；表示控制滤波器的辅助状态变量，也可理解为滤波器内部的推力变化率状态；表示该辅助状态变量的时间导数。表示水下速度通道控制滤波器的阻尼比；表示水下速度通道控制滤波器的固有频率；表示滤波器内部变量；表示推力速率限制函数，用于约束推力指令的变化速率；表示经过速率限制后的滤波器内部变量输出。

48、该式中的为二阶滤波器阻尼调节系数，用于控制滤波器动态响应速度和振荡程度；表示受速率约束后的目标变化率与当前辅助状态之间的偏差。

49、基于eso设计反步法控制器，得到的虚拟推力指令为：

50、；

51、其中，表示水下速度通道中推力输入到纵向加速度之间的等效控制增益；表示速度跟踪误差反馈增益，通常取正值；表示修正后的纵向速度跟踪误差，用于表征实际速度与期望速度之间的偏差，并考虑控制滤波器或推力饱和带来的补偿影响。表示扩张状态观测器对速度通道总扰动项的估计值；表示对扰动估计误差的动态补偿量，用于进一步修正 eso 扰动估计不完全带来的误差；表示补偿状态反馈增益；表示用于补偿推力滤波、推力饱和或执行机构滞后影响的辅助补偿状态。

52、s5.2、针对航迹角动力学模型及俯仰角速度子系统分别设计eso对扰动进行估计，eso的结构设计为：

53、

54、；

55、其中，表示飞行器在水下纵向平面内的航迹角，表示航迹角变化率；表示期望合速度或控制设计中采用的参考速度；表示航迹角通道中可建模的非线性项，主要包含由速度、航迹角和俯仰角速度耦合引起的确定性水动力影响；表示俯仰角对航迹角变化率的等效影响系数；表示升降舵偏角对航迹角变化率的等效控制增益；表示航迹角通道中的等效外界扰动与未建模动态。

56、表示俯仰角速度通道中可建模的非线性动力学项，主要包含水动力矩、附加质量、科氏力、阻尼及姿态耦合等对俯仰运动的影响；表示升降舵偏角对俯仰角加速度的等效控制增益；表示俯仰角速度通道中的等效外界扰动与未建模动态。

57、表示航迹角的观测值或估计值；表示航迹角通道总扰动的估计值；表示航迹角扩张状态观测器的观测器增益，通常取正值；表示航迹角观测误差；表示俯仰角速度的观测值或估计值；表示俯仰角速度通道总扰动的估计值；表示俯仰角速度扩张状态观测器的观测器增益，通常取正值；表示俯仰角速度观测误差，通常对应与实际俯仰角速度之间的偏差；

58、构建控制滤波器对俯仰角速度指令与升降舵转角指令进行滤波，其结构设计为：

59、；

60、其中，表示未经过滤波处理的虚拟俯仰角速度指令；表示经控制滤波器处理后的俯仰角速度指令；表示滤波器的辅助状态变量。表示对未滤波俯仰角速度指令进行幅值约束后的结果；表示对内部变量进行速率约束后的结果；表示允许的最大俯仰角速度指令幅值，表示允许的最大俯仰角速度指令变化率。该滤波器用于保证最终进入控制律的俯仰角速度指令满足执行机构的幅值和速率约束。

61、；

62、其中，表示未经过滤波处理的升降舵偏角指令；表示经过控制滤波器处理后的可执行升降舵偏角指令；表示滤波后升降舵偏角指令的时间导数；表示滤波器辅助状态变量；表示对未滤波升降舵偏角指令进行幅值限制后的结果；表示对滤波器内部变量进行速率限制后的结果；表示升降舵偏角允许的最大幅值；表示升降舵偏角允许的最大变化速率。该滤波器用于保证升降舵控制指令满足执行机构的幅值和速率约束。

63、基于eso设计反步法控制器，得到升降舵虚拟控制律及自适应律：

64、；

65、其中，表示升降舵偏角对俯仰角加速度的等效控制增益；表示俯仰角速度误差反馈增益，且；表示修正后的俯仰角速度跟踪误差；表示修正后的俯仰角跟踪误差；表示扩张状态观测器对俯仰角速度通道总扰动的估计值；表示用于补偿升降舵执行机构饱和、控制滤波器滞后或指令偏差影响的辅助补偿状态；表示补偿状态反馈增益，通常取正值。

66、优选的，在所述步骤s6中，对变后掠翼跨介质飞行器出水前的姿态进行了控制，具体过程包括：

67、s6.1、进一步实现水下阶段的俯仰姿态调节，考虑水下巡航条件下的俯仰角–俯仰角速度子系统动力学模型，可写为：

68、；

69、其中，表示俯仰角速度通道中的可建模非线性项，主要包括由水动力矩、附加质量、阻尼、姿态耦合等因素引起的确定性动力学影响；表示升降舵偏角对俯仰角加速度的等效控制增益；表示俯仰角速度通道中的等效外界扰动与未建模动态。

70、s6.2、沿用s5.2所述的eso观测器构造方法，对俯仰角姿态通道中的未知项进行在线估计，为建模水动力、阻尼误差及附加力等统一表示为总扰动，构造俯仰角速度观测误差，eso结构设计为：

71、；

72、其中，表示扩张状态观测器对俯仰角速度的估计值；表示该估计值的时间导数；表示扩张状态观测器对俯仰角速度通道总扰动的估计值；表示该扰动估计值的时间导数。

73、对于俯仰角速度虚拟控制量及升降舵偏角虚拟控制量构造控制滤波器，设计基于eso的约束反步法控制器，选取升降舵控制律与自适应律为：

74、。

75、其中，表示扩张状态观测器对俯仰角速度通道总扰动的估计值；表示俯仰角速度通道中扰动估计误差的残余项或补偿误差项；表示经过控制滤波器后的俯仰角速度指令的时间导数。表示用于补偿 eso 估计误差的动态补偿量；表示该补偿量的时间导数；表示扰动估计误差补偿律的自适应增益，通常取正值。

76、一种基于水动力模型的变后掠翼跨介质飞行器控制系统，包括水动力分析模块，用于对变后掠翼跨介质飞行器进行水动力分析，包括：构建水动力数值计算域，设置边界条件、流体参数及湍流模型，并生成用于数值计算的计算网格；对所述飞行器进行定常与非定常运动工况水动力数值计算，获得纵向运动相关的稳态力和力矩数据；根据所述稳态力和力矩数据以及所述非定常力和力矩时程数据，辨识所述飞行器纵向运动相关的水动力导数系数，并构建纵向动力学模型所需的水动力参数集；

77、模型建立及控制问题抽象模块，用于变后掠翼跨介质飞行器数学模型建立及控制，包括建立变后掠翼跨介质飞行器的数学模型，并对变后掠翼跨介质飞行器的控制问题进行数学抽象；

78、设计模块，用于控制器设计，包括针对变后掠翼跨介质飞行器水下巡航及出水前阶段俯仰角较大，姿态较差且不稳定的问题，设计扩张状态观测器eso对扰动以及模型的非线性进行观测，在此基础上设计反步法控制器对变后掠翼跨介质飞行器的姿态进行控制，使变后掠翼跨介质飞行器可以稳定进行巡航或出水阶段。

79、一种基于水动力模型的变后掠翼跨介质飞行器控制装置，包括处理器、存储器以及存储于所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现变后掠翼跨介质飞行器的水下水动力特性快速分析方法以及水下巡航和出水前阶段控制方法。

80、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现变后掠翼跨介质飞行器的水下水动力特性快速分析方法以及水下巡航和出水前阶段控制方法。

81、与现有变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置对比，本发明具备以下有益效果：

82、1.该变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置，通过在变后掠翼跨介质飞行器水下纵向运动相关参数获取方面，采用定常与非定常水动力数值分析相结合的思路，通过在多物理场仿真与计算流体动力学软件中构建水动力计算模型，获取飞行器在不同工况下的稳态力、力矩及非定常响应数据，并进一步辨识纵向运动相关水动力导数系数，建立适用于控制设计的纵向动力学模型，从而提高了变后掠翼跨介质飞行器水下水动力分析与建模的效率。

83、2.该变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置，通过在控制方面，采用扩张状态观测器对飞行器水下巡航及出水前阶段中的外界扰动、模型不确定性及未建模动态进行在线观测与估计，相较于依赖复杂学习模型或大量先验信息的处理方式，具有结构清晰、实现方便、计算负担较小的特点，有利于提升控制系统的实时性与工程应用效率。

84、3.该变后掠翼跨介质飞行器水动力特性分析与控制方法及装置，通过采用基于扩张状态观测器的反步法控制策略，分别实现变后掠翼跨介质飞行器水下巡航阶段的定速定深控制以及出水前阶段的姿态—速度协调控制，使飞行器能够在复杂水下环境中保持较好的航行稳定性，并以较为稳定的俯仰姿态完成出水前过渡，从而提高跨介质过程的平稳性与可靠性。