CN103064288A

CN103064288A - 一种基于对转桨加鳍舵的低速auv航行控制方法

Info

Publication number: CN103064288A
Application number: CN2012104872823A
Authority: CN
Inventors: 于闯; 刘健; 林扬; 郑荣; 徐会希; 刘爱民; 刘铁军
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明提供一种基于对转桨加鳍舵的低速AUV航行控制方法，AUV（Autonomous Underwater Vehicle，自治水下航行器）载体的艉部安装对转螺旋桨（简称对转桨）和水平舵垂直舵。在每个控制周期内，对纵倾角、航向角、纵倾角速度、航向角速度、深度、高度进行测量，计算出控制值，确定所需水平舵角和垂直舵角的角度值，并控制水平舵电机和垂直舵电机，使得水平舵板和垂直舵板转动到目标角度；确定对转桨的转速，使对转桨达到目标转速。从而使AUV能够稳定的航行。本发明逻辑简单、计算量小，操作方便。

Description

一种基于对转桨加鳍舵的低速AUV航行控制方法

技术领域

本发明涉及低速AUV控制方法，特别是一种基于对转桨加鳍舵的低速AUV航行控制方法。

背景技术

在满足一定的机动性要求情况下，通过减少推进器数量的配置，保持AUV外形的光顺从而达到降低其航行阻力的目的。常见的方法之一就是在AUV的艉部配置一个对转螺旋桨（简称对转桨），通过水平舵和垂直舵对AUV水平面和垂直面的机动性进行控制。在一定的舵板面积和操舵角度下，这种方式在航行体航速较高时，其机动控制能力较强，而在航速较低时，其机动控制能力就较差。由于海洋中干扰因素众多，因此低速航行时抗外界干扰能力较弱，AUV常常难以稳定航行。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于对转桨加鳍舵的低速AUV航行控制方法，通过周期性控制调整，保证AUV稳定航行。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种基于对转桨加鳍舵的低速AUV航行控制方法，在AUV的艉部安装对转桨、水平舵和垂直舵，对AUV的对转桨转速、水平舵板角度和垂直舵板角度做周期性调整，具体步骤如下：

步骤1：AUV下潜前，保持与海水间的相对速度不变；

步骤2：AUV下潜过程中，通过改变载体的纵倾角和前向速度来控制下潜速度；

步骤3：AUV水下航行过程中，在每个控制周期内，对纵倾角、航向角、纵倾角速度、航向角速度、深度、高度进行测量，采用混合计算方法计算出控制值；

步骤4：根据控制值并通过对舵板水动力特性的分析确定水平舵角和垂直舵角的目标角度，并通过水平舵电机和垂直舵电机，控制水平舵板和垂直舵板转动到目标角度；

步骤5：通过对对转桨的水动力特性、AUV的水动力特性及目标前向速度确定对转桨的目标转速，控制对转桨达到目标转速，结束调整周期。

所述混合计算方法为纵倾角的比例微分算法、深度/高度的比例积分算法和航向的比例微分积分算法的混合计算方法。

所述纵倾角的比例微分算法、深度/高度的比例积分算法公式为：

Q_{K} = K_{P 1} \cdot f_{k} + K_{d 1} \cdot \frac{f_{k} - f_{k - 1}}{T} + K_{P 2} \cdot g_{k} + K_{i 2} \cdot Σ g_{k}

其中：Q_K表示垂直力矩；K_P1、K_d1分别表示纵倾角误差比例系数、纵倾角微分系数；K_P2、K_i2分别表示深度误差的比例系数、深度误差的积分系数；f_k、f_k-1分别表示本周期纵倾角误差、上周期纵倾角误差；g_k表示深度误差；T表示控制周期。

所述航向的比例微分积分算法公式为：

P_{K} = K_{P} \cdot e_{k} + K_{i} \cdot Σ e_{k} + K_{d} \cdot \frac{e_{k} - e_{k - 1}}{T}

其中：P_K表示水平力矩；K_P、K_i、K_d分别表示比例系数、积分系数、微分系数；e_k、e_k-1分别表示本周期航向误差、上周期航向误差；T表示控制周期。

按权利要求1所述的低速AUV基于对转桨加鳍舵控制方法，其特征在于，所述控制值包括水平力矩和垂直力矩。

所述目标角度的计算方法为：

A_K＝H_k*K/v²

其中A_K为目标角度，H_K为控制值，K为根据舵板水动力特性的分析确定的系数，v为前向速度。

发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明使基于对转桨加鳍舵的AUV通过周期性控制舵角和对转桨转速，能够保证AUV稳定航行；

2.本发明逻辑简单、计算量小，操作方便。

附图说明

图1是本发明下潜方案的流程图；

图2是本发明的航行控制方案的流程图。

具体实施方式

对转桨加鳍舵方式AUV，AUV的艉部安装对转桨和水平舵垂直舵。对转桨主要特点为较高的推进效率，能够可靠的执行预定使命。通过如下技术方案来实现：

如图1所示为下潜方案的流程图，首先按当前航向加速航行，周期性检查当前速度，如果当前速度达到或者超过设定的速度值，则开始下潜，否则继续按当前航向加速航行。

为使AUV能够可靠的下潜，首先应使得AUV与海水间保持一定的相对速度之后再下潜；其次要避免下潜时姿态失控；同时，通过控制载体的纵倾角和前向速度限制载体的下潜速度，也保证了载体的航行姿态。

如图2所示为航行控制方案的流程图，当到达设定的控制周期时，分别获取姿态传感器，角速度传感器，深度和高度传感器的数据，将各数据进行滤波并进行相关控制计算，并算出控制值。根据舵的水动力特性计算出目标舵角，并控制舵机，使舵达到目标舵角。根据螺旋桨的水动力特性，计算出主推电机所需要的转速，控制主推电机使其达到所需转速后本控制周期结束。

在AUV航行过程中，每个控制周期内，利用姿态传感器检测AUV的纵倾角、航向角，利用角速度罗盘检测纵倾角速度、航向角速度，利用深度传感器和高度计检测当前深度/高度，得到以上数值后采用纵倾角的比例微分算法（PD算法），深度/高度的比例积分算法（PI算法）以及航向的比例微分积分算法（PID算法）的混合计算方法计算出控制值，控制值包括水平力矩和垂直力矩。

根据水平力矩和垂直力矩控制值，通过对舵板水动力特性的分析确定所需水平舵角和垂直舵角的角度值；并控制水平舵电机、垂直舵电机，使得水平舵板和垂直舵板转动到相应的角度；通过对对转桨的水动力特性、AUV的水动力特性及希望的前向速度确定对转桨的转速，并通过试验来修正。

此方法通过实际航行验证有效，且能稳定的控制AUV的航向、航速、深度/高度。

航向的比例微分积分算法公式为：

P_{K} = K_{P} \cdot e_{k} + K_{i} \cdot Σ e_{k} + K_{d} \cdot \frac{e_{k} - e_{k - 1}}{T}

在不同的速度下可采用不同的控制参数值，经过试验即可确定Kp、Ki、Kd的数值。

在上式中，如果微分项采用（e_k-e_k-1）/T直接计算，由于采样周期较短，因此会产生较大的噪声信号，进而影响控制效果。为了避免这种情况的发生，我们使用角速度测量仪，用它产生的角速度信息代替微分项，这样可获得较好的控制效果。

纵倾角的比例微分算法、深度/高度的比例积分算法公式为：

Q_{K} = K_{P 1} \cdot f_{k} + K_{d 1} \cdot \frac{f_{k} - f_{k - 1}}{T} + K_{P 2} \cdot g_{k} + K_{i 2} \cdot Σ g_{k}

目标角度的计算方法为：

A_K＝H_k*K/v²

Claims

1.一种基于对转桨加鳍舵的低速AUV航行控制方法，其特征在于，在AUV的艉部安装对转桨、水平舵和垂直舵，对AUV的对转桨转速、水平舵板角度和垂直舵板角度做周期性调整，具体步骤如下：

步骤1：AUV下潜前，保持与海水间的相对速度不变；

2.按权利要求1所述的低速AUV基于对转桨加鳍舵控制方法，其特征在于，所述混合计算方法为纵倾角的比例微分算法、深度/高度的比例积分算法和航向的比例微分积分算法的混合计算方法。

3.按权利要求2所述的低速AUV基于对转桨加鳍舵控制方法，其特征在于，所述纵倾角的比例微分算法、深度/高度的比例积分算法公式为：

Q_{K} = K_{P 1} \cdot f_{k} + K_{d 1} \cdot \frac{f_{k} - f_{k - 1}}{T} + K_{P 2} \cdot g_{k} + K_{i 2} \cdot Σ g_{k}

4.按权利要求2所述的低速AUV基于对转桨加鳍舵控制方法，其特征在于，所述航向的比例微分积分算法公式为：

P_{K} = K_{P} \cdot e_{k} + K_{i} \cdot Σ e_{k} + K_{d} \cdot \frac{e_{k} - e_{k - 1}}{T}

5.按权利要求1所述的低速AUV基于对转桨加鳍舵控制方法，其特征在于，所述控制值包括水平力矩和垂直力矩。

6.按权利要求1所述的低速AUV基于对转桨加鳍舵控制方法，其特征在于，所述目标角度的计算方法为：

A_K＝H_k*K/v²