CN101419464A - 一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法。包括这样一些步骤：(1)通过相应传感器获取深度、纵向速度、姿态角度信息；(2)将深度的偏差论域映射到纵倾角的偏差论域，改深度控制为纵倾控制，计算此时需要的纵倾方向转矩，根据矢量推进器的力臂计算应给出的垂直方向的力；(3)调整矢量推进器推水角度和转速，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于调节纵倾，水平方向的力用于保持速度。本发明可有效提高采用矢量推进器的无人潜水器定深航行的控制精度，实际应用于无人潜水器控制系统设计，可进行水下探测，考古，水下救捞等。

Description

一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法

(一)技术领域

本发明涉及的是潜水器的运动控制方法。

(二)背景技术

潜水器的动力学系统是非线性的、时变的。各个自由度的运动相互耦合，海流等环境干扰力的影响较大。总之，潜水器是一个强非线性系统。无人潜水器控制系统的输出推进装置一般采用普通的螺旋桨，为了满足其横向和垂向的运动要求，产生上下方向、左右方向的推力，需要在艇体的横向和垂向上至少布置两个槽道推进器，这样做，破坏了艇体结构的连续性，使得潜器为了满足强度、下潜深度等要求要相应增加结构尺度(如耐压壳体厚度)，从而增加了艇体的体积和重量，同时也使得潜器内部的布置受到限制。从节能的意义上讲，推进器的重量比增大不利于节能。矢量推进器能很好的解决上述矛盾，它仅在首尾配置推进器就能根据需要产生上下、左右、前后六个方向的推力，从而可以省去横向和垂向的槽道推进器。这样即能够满足结构和强度条件要求以及总布置的要求，又能够减少推进器的数目，提高潜水器的操纵性能，有利于潜水器的小型化、轻量化。

名称为“无人自主水下航行器矢量推进器研究”的西北工业大学硕士学位论文(请增加论文的公开日和公开期刊名称)中，提出了一种采用推力矢量技术的喷水式推进器，用以提高水下航行器的操纵性和机动性，在这一点上与本发明相同，但是如何利用矢量推进器进行控制所采用的方法完全不同。该技术方案是在具有鱼雷外形的水下航行器数学模型基础上，修正了采用矢量推进器的水下航行器数学模型。对模型简化后导出了简化模型的传递函数。根据矢量推进方式下的传递函数和普通推进方式下的传递函数，对同一水下航行器进行了仿真。另外专利申请号为US 7,275,714(公告时间02/10/2007)、US2007102575(公告时间2007-05-10)、US2001049239(公告时间2001-12-06)的美国专利文件中也公开了相关的信息，但是与本发明相比各有不同。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效地适应无人潜水器强非线性动力学特性和复杂的运动关系，实现精确的定深航行运动控制的一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括如下步骤：

1、通过相应传感器获取深度、纵向速度、姿态角度信息；

2、将深度的偏差论域映射到纵倾角的偏差论域，改深度控制为纵倾控制，计算此时需要的纵倾方向转矩，根据矢量推进器的力臂计算应给出的垂直方向的力；

3、调整矢量推进器推水角度和转速，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于调节纵倾，水平方向的力用于保持速度。

本发明还可以包括：

1、通过不同自由度的运动偏差的合理映射，在深度上通过纵向运动和纵倾角度的调整联合实现精确控制。

2、根据偏差论域映射计算得到应调整矢量推进器推水角度和转速。

本发明通过不同自由度的运动偏差的合理映射，在深度上通过纵向运动和纵倾角度的调整联合实现精确控制。根据偏差论域映射计算得到应调整矢量推进器推水角度和转速，可以提供垂向和纵向两个方向的力，以及纵倾方向的力矩，减少了多余执行机构，简化了控制输出。既能保持速度，又能调节深度。

本发明可有效提高采用矢量推进器的无人潜水器定深航行的控制精度，实际应用于无人潜水器控制系统设计，可进行水下探测，考古，水下救捞等。

(四)附图说明

图1集成电机推进器的矢量控制结构示意图；

图2定深控制转变为纵倾控制的示意图；

图3采用矢量推进器的无人潜水器定深航行试验的数据曲线。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

为实现上述目的，采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法包括步骤：

通过相应传感器获取深度、纵向速度、姿态角度等信息。

将深度的偏差论域映射到纵倾角的偏差论域，改深度控制为纵倾控制，计算此时需要的纵倾方向转矩，根据矢量推进器的力臂计算应给出的垂直方向的力。

调整矢量推进器推水角度和转速，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于调节纵倾。水平方向的力用于保持速度。

采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法工作包括当前位置姿态的获取，偏差的映射，控制器的解算，执行机构的力学输出。在本发明中，我们基于深度计获取位置信息，基于多普勒速度计获取速度信息，基于罗经获取姿态角信息，通过控制器解算，由矢量推进器执行定深航行运动。

解耦控制在过程控制中具有特别重要的意义，工业过程通常不希望某一设定值的改变引起其他被控变量随之发生大的波动。解耦后的系统无论从整定，还是可靠性角度考虑都比一般的多变量系统有利。水下机器人是一个强非线性系统，各个自由度的运动相互耦合，其耦合情况既难于定性地描述，更难于定量地表达，我们设计控制器时，应该避开运动相互耦合这个难点。虽然水下机器人各自由度的运动相互耦合，但针对某个特定的水下机器人，其各个自由度的推力与推力器发出的力之间的关系一般都不复杂。为此，我们可以考虑进行各个自由度解耦，而每一个自由度上设计一个控制器(每个自由度的控制器是该自由度上偏差及偏差变化率的函数)。

一般情况下，潜水器六个自由度分别设计控制器，当深度存在偏差，此时深度控制器有偏差输入，但由于没有直接的垂向推力器，Z向控制器不能直接输出。将Z向偏差映射为纵倾向偏差，通过纵倾向控制和纵向控制的联合运动。改变垂向深度。

此处Z->Pitch偏差映射可为线性关系： $e_{\mathrm{Pitch}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}& \left|e_Z\right|>C\\ k{e}_z& \left|e_Z\right|<C\end{array}\right.,$ 其中α，C，k是常数。意即当深度偏差的绝对值大于某一值时，纵倾偏差为一常数；当深度偏差的绝对值小于这一值时，纵倾偏差是深度偏差与一常数的乘积。例如表一：当深度偏差>10m，纵倾偏差取10°；当深度偏差<-10m，纵倾偏差取-10°。此处α＝10，C＝10，k＝1。

表1 定深偏差与纵倾偏差的映射对应关系

这样就把深度偏差映射到了纵倾项的偏差。此时，纵倾控制器可采用任何一种有效的控制算法，如PID，模糊控制等。以PID控制为例， $u=K_p{e}_{\mathrm{Pitch}}+K_i{\&Integral;}_0^t{e}_{\mathrm{Pitch}}\mathrm{dt}+K_d\frac{{\mathrm{de}}_{\mathrm{Pitch}}}{\mathrm{dt}}.$ 控制器的输出u是需要的纵倾转矩。转矩＝力×力臂＝>力＝转矩/力臂。矢量推进器在一定转角下，垂向的力使纵倾转动，轴向的力保持前向运动。因此这时的力＝转矩/力臂，是矢量推进器应给出的垂直方向的力。调整矢量推进器角度和转速，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于调节纵倾。水平方向的力用于保持速度。

采用以上方法进行采用某矢量推进器的无人潜水器定深航行试验的数据曲线如图3所示。无人潜水器初始深度为水面航行，深度0m。规划目标深度1.1m。经过较短的时间，无人潜水器下潜，并保持在定深1.1m航行。控制效果良好。

Claims (3)

1、一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法，其特征是：

(1)、通过相应传感器获取深度、纵向速度、姿态角度信息；

(2)、将深度的偏差论域映射到纵倾角的偏差论域，改深度控制为纵倾控制，计算此时需要的纵倾方向转矩，根据矢量推进器的力臂计算应给出的垂直方向的力；

(3)、调整矢量推进器推水角度和转速，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于调节纵倾，水平方向的力用于保持速度。

2、根据权利要求1所述的一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法，其特征是：通过不同自由度的运动偏差的合理映射，在深度上通过纵向运动和纵倾角度的调整联合实现精确控制。

3、根据权利要求1或2所述的一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法，其特征是：根据偏差论域映射计算得到应调整矢量推进器推水角度和转速。

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