CN102346485B

CN102346485B - 面向复杂海况的欠驱动uuv大攻角潜浮自适应串级控制方法

Info

Publication number: CN102346485B
Application number: CN 201110196749
Authority: CN
Inventors: 严浙平; 吴迪; 徐健; 周佳加; 郝丽超
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin ship Intelligent Equipment Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: CN102346485A

Abstract

本发明提供的是一种面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法。运动控制计算机接收来自使命控制计算机的深度控制指令；将深度控制指令偏差作为非线性函数的输入值，将深度控制指令偏差转换为纵倾控制指令输入到纵倾控制器中，通过控制水平舵舵角，作用到欠驱动UUV系统；自适应模块结合海流观测系统得到的海流信息和UUV系统的深度响应情况调整非线性函数；OCTANS纵倾反馈通过OCTANS传感器反馈UUV的姿态值，深度计深度反馈通过深度计反馈UUV的深度信息。本发明实现了大变深运动时的快速响应；解决了系统响应的快速性与稳定性间的矛盾；使UUV能够更好的适应不同海洋环境下控制系统的需求。

Description

面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种UUV控制方法。具体地说是一种面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法。

背景技术

在复杂多变的海洋环境中，精确的深度控制对于UUV海洋勘探以及海洋开发等任务有着至关重要的作用。由于UUV系统具有较大的惯性，超调量，尤其是深度控制的超调量，会对系统产生较大的影响，易造成系统不稳定、调节时间过长等问题。在某些特殊海况下，大范围的变深运动会导致过大的超调量，甚至会导致UUV系统出现翻转、触底等危险，威胁到系统安全。而同时，小的纵倾角虽然可以保证系统的稳定性，但会导致下潜时间过长，浪费系统能源，也不利于系统的机动。

名称为“一种采用矢量推进器的无人潜水器定深航行控制方法”，专利申请号为200810064716.2的中国专利文件中提到了将深度控制映射到纵倾控制的方法。其采用的映射方式为非线性分段函数，平滑性稍差。同时，其采用了矢量推进器完成UUV深度控制。

名称为“一种大深度无人潜水器及其深度符合控制方法”，专利申请号为200810136825.0的中国专利文件中提到了无人潜水器大深度控制方法，但其采用调节水舱与槽道桨等装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对欠驱动UUV实现快速、稳定的大范围变深时的大攻角潜浮控制的面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1、运动控制计算机接收来自使命控制计算机的深度控制指令；

2、将深度控制指令偏差作为非线性函数

的输入值x，将深度控制指令偏差x转换为纵倾控制指令y，进而将深度控制指令偏差输入到纵倾控制器中，通过控制水平舵舵角，作用到欠驱动UUV系统；其中k，a，c分别为非线性函数的比例系数、缩放系数和平移系数；

3、自适应模块结合海流观测系统得到的海流信息和UUV系统的深度响应情况调整非线性函数的k，a，c的值；

4、OCTANS纵倾反馈通过OCTANS传感器反馈UUV的姿态值，深度计深度反馈通过深度计反馈UUV的深度信息。

本发明所涉及的一种面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法的工作原理：在欠驱动UUV系统接收到由水面监控计算机发送的深度控制指令后，将深度指令与深度计所反馈的深度信息作比较，将得到的偏差作为非线性函数指令转换环节的输入，输出为所需要的纵倾控制指令，将其与由OCTANS反馈的纵倾信息作比较，得到的偏差即为纵倾控制器的输入，得到的输出为UUV艉水平舵的舵角指令，最后系统通过数字/模拟转换器将舵角指令输出到UUV的执行机构，即水平舵，完成UUV的深度控制。与此同时，结合系统的响应情况以及海流观测数据，在线调整非线性函数的参数。

本发明的优点在于：

1.采用了大攻角潜伏控制，实现了大变深运动时的快速响应，节约了系统能源。

2.采用串级控制方法，并利用非线性函数进行控制指令间的转换。解决了系统响应的快速性与稳定性间的矛盾。

3.采用自适应模块，根据海洋环境信息与系统响应情况实时的调整非线性函数参数，使UUV能够更好的适应不同海洋环境下控制系统的需求。

附图说明

图1本发明的控制方法示意图；

图2欠驱动UUV系统运动控制流程图；

图3本发明的控制方法的信号流图；

图4非线性函数在线调整示意图；

图5为非线性函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图2，欠驱动UUV系统的总体运动控制流程包括：

1.水面监控计算机现场初始化设置与使命规划；

2.UUV使命计算机对水面计算机规划使命进行解算。

3.UUV运动控制计算机接收来自使命计算机的任务，主要指大范围的变深运动。

4.运动控制计算机进行大攻角潜浮自适应串级控制，主要包括：

4.1利用欠驱动UUV串级控制方法，通过非线性函数将深度控制指令转换为纵倾控制指令，并结合各传感器数据，得到相应执行机构的指令值。

4.2执行机构执行控制指令，实现大攻角潜浮串级控制。

4.3根据UUV的下潜情况以及ADCP获取的海流信息，自适应的调整非线性转换函数的参数k，a，c，以使其更好的完成下潜任务，实现大攻角潜浮自适应串级控制。

7.判断任务是否完成。若完成，任务结束，否则转到3。

欠驱动UUV串级控制：

欠驱动UUV在缺少垂直面推进装置的条件下，采用串级控制方法将主回路深度控制通过非线性函数转换为副回路纵倾控制，实现了快速性与稳定性间的协调。通过以下步骤实现，将运动控制计算机得到的深度指令作为以下函数的输入值，得到的输出值即为副回路中的纵倾控制指令，然后将得到的指令进行限值，如，|y|＜40。

y = k \ln \frac{ax}{c - ax}

UUV大攻角潜浮控制：

大攻角潜伏控制，即在欠驱动UUV进行大范围变深运动控制时，采用超常规的纵倾角(本例中为40°)，以获得UUV大攻角。采用较大攻角可以节省系统能源，加快系统响应速度，满足UUV机动性的要求。

例：在不考虑纵倾变化情况下，500米大攻角(40°)下潜，6节航速下实际航行时间为：500÷(sin(40)*3)＝259秒；航行距离为：500÷(sin(40))＝777米。

当采用20°攻角下潜时：航行时间为487秒；航行距离为1461米。

复杂海况下结合海流信息的自适应方法：

在复杂海况下，通过ADCP所采集的数据(海流大小、方向)与系统响应情况自适应的调整非线性函数的系数k，a，c，其中，比例系数k根据快速性要求调整，缩放系数a根据稳定性要求调整，平移系数c根据指令范围变换调整。这样有利于系统对快速性和稳定性要求，并可以更好的保证系统安全。

结合图1，本发明一种面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法主要包括如下几个部分：非线性函数转换环节、纵倾控制器、欠驱动UUV系统、OCTANS纵倾反馈环节、深度计深度反馈环节、海流观测系统、自适应模块等。非线性函数将深度偏差转换为纵倾指令，纵倾偏差作为纵倾控制器的输入量最后输出水平舵舵角实现欠驱动UUV的纵倾以及深度变化。同时结合偏差变换情况以及海流观测数据在线调整非线性函数参数，使系统在复杂海况下取得好的控制效果。具体步骤包括：

1.运动控制计算机接收来自使命控制计算机的深度控制指令。

2.将深度控制指令偏差作为非线性函数

的输入值x，而k，a，c分别为非线性函数的比例系数、缩放系数和平移系数。这样，根据该函数即可将深度控制指令偏差x转换为纵倾控制指令y，进而将其偏差输入到纵倾控制器中，通过控制水平舵舵角，作用到欠驱动UUV系统。

3.自适应模块结合海流观测系统得到的海流信息和UUV系统的深度响应情况调整非线性函数的k，a，c的值。

4.OCTANS纵倾反馈通过OCTANS传感器反馈UUV的姿态值，深度计深度反馈通过深度计反馈UUV的深度信息。

结合图4，非线性函数在线调整过程主要包括：

1.海流观测系统ADCP实时的反馈海流大小与方向信息。

2.自适应模块结合海流大小与方向信息，系统的深度控制指令和深度控制指令偏差，自适应的调节非线性函数的k，a，c，进而影响到深度控制指令偏差到纵倾控制指令间的转换关系，实现控制效果的改善。

结合附图3对本发明所涉及控制系统的信号流程做更详细的描述：水面监控计算机、使命计算机和运动控制机组成无线、有线局域网络。水面监控机发送深度控制使命到使命计算机，使命机进行解算后发送到运动计算机，运动机最终得到深度控制指令。同时，运动计算机向水面监控机反馈UUV位姿信息、深度信息以及速度信息等。运动控制机主要由数据采集线程和控制解算线程来完成控制过程。数据采集线程分别采集来自OCTANS、深度计、ADCP以及经过滤波的A/D采样板的数据，并发送到控制解算线程作为反馈量。控制解算线程根据深度指令与实际深度，纵倾指令与实际纵倾解算出所需要的水平舵舵角，最后经由D/A采样输出到执行机构。

如图5所示为本发明所涉及的非线性曲线示意图，可见该曲线在误差逐渐减少的过程中，其曲线变化更为平稳。在实际的过程中，纵倾指令随着深度增加而减少，最后减少为0，实现了稳定的下潜过程。

Claims

1.一种面向复杂海况的欠驱动UUV大攻角潜浮自适应串级控制方法，其特征是：

（1）、运动控制计算机接收来自使命控制计算机的深度控制指令；

（2）、将深度控制指令与深度计反馈的深度值之间的偏差作为非线性函数

的输入值x，所得到的输出值y为纵倾控制指令，将其与OCTANS反馈的纵倾信息作比较，将得到的偏差输入到纵倾控制器中，通过控制水平舵舵角，作用到欠驱动UUV系统；其中k,a,c分别为非线性函数的比例系数、缩放系数和平移系数；

（3）、自适应模块结合海流观测系统得到的海流信息和欠驱动UUV的深度响应情况调整非线性函数的k,a,c的值；

（4）、OCTANS纵倾反馈通过OCTANS传感器反馈欠驱动UUV的姿态值，深度计深度反馈通过深度计反馈欠驱动UUV的深度信息。