CN103064422A

CN103064422A - 一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法

Info

Publication number: CN103064422A
Application number: CN2012104874316A
Authority: CN
Inventors: 刘健; 林扬; 郑荣; 于闯; 徐会希; 梁保强
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

本发明涉及一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法，包括以下步骤：水下航行体采集安装在航行体上的传感器信息，将采集到的深度值和纵倾角进行滤波后作为反馈信号，采用PID控制方法实现深度和纵倾角的控制并得到控制量；然后根据推进器布局将控制量分配并输出至艏部和艉部垂直槽道推进器实现悬停控制。本发明采用的无缆自治水下航行体的悬停控制方法可实现无缆自治水下航行体在设定深度下的稳定悬停，悬停期间水下航行体深度误差小于±0.5米，纵倾角变化范围小于±10度。为无缆自治水下航行体在水下顺利完成卫星定位校准提供技术保证。

Description

一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法

技术领域

本发明涉及一种无缆自治水下航行体（AUV，Autonomous UnderwaterVehicle）的悬停控制方法，具体地说是无缆自治水下航行体在水下相对于水流静止并保持固定深度的控制方法。主控计算机通过控制艏部和艉部垂直槽道推进器，实现对水下水下航行体深度和纵倾角的控制，使水下航行体稳定保持在水下设定的深度和稳定的姿态。

背景技术

以往的自治水下水下航行体是通过水下航行体上浮到水面来实现卫星定位校准的，这样无法保证水下航行体的隐蔽性，同时，当水面航行船只较多时，也无法保证水下航行体的安全性。有鉴于此，我们设计了水下航行体在水下实现卫星定位校准的功能。即当水下航行体需要进行卫星定位校准时，水下航行体在水下8米悬停，然后控制水下航行体内的绞车释放一定长度的电缆（约12米），电缆另一端的卫星定位信标在正浮力的作用下上浮到水面，进行卫星定位校准。如果悬停时水下航行体的深度和姿态不稳定，会大大降低卫星定位校准的成功率，甚至会导致校准失败。

发明内容

为了克服目前无缆自治水下航行体无法实现悬停的不足，本发明提供了一种无缆自治水下航行体悬停控制方法。本发明采用的技术方案是：一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法，包括以下步骤：

水下航行体采集安装在航行体上的传感器信息，将采集到的深度值和纵倾角进行滤波后作为反馈信号，采用PID控制方法实现深度和纵倾角的控制并得到控制量；然后根据推进器布局进行控制量分配，将各推进器的控制量输出至艏部和艉部垂直槽道推进器，实现悬停控制。

所述将采集到的深度值进行滤波采用排序均值法，具体为采集10个深度数据，然后进行排序，去掉最高值和最低值，取剩余数据的平均值作为当前的真值。

所述采用PID控制方法实现深度和纵倾角的控制具体为：给定目标值和反馈信息包括深度值和纵倾角；给定目标值和反馈信息作差分别得到深度值和纵倾角误差作为PID控制的输入。

所述深度和纵倾角的控制量Pn分别通过以下公式得出：

P_{n} = K_{P} \cdot Δe + {&Integral; Δe \cdot dt + K}_{d} \cdot \frac{dΔe}{dt}

深度值计算的P_n为水下航行体保持一定深度所需要施加的力，而纵倾角值计算的P_n为水下航行体保持一定深度所需要施加的力矩。Δe为误差，即深度误差或纵倾角误差；Kp、Kd为PID的控制参数。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用的无缆自治水下航行体的悬停控制方法可实现无缆自治水下航行体在设定深度下的稳定悬停，悬停期间水下航行体深度误差小于±0.5米，纵倾角变化范围小于±10度。为无缆自治水下航行体顺利完成卫星定位校准提供技术保证。

2.本发明为了保证卫星定位校准的顺利进行，需要水下航行体在水下相对于水流悬停一段期间，保证水下航行体在水面下一定深度的精确性和纵倾角的稳定性。

附图说明

图1是本发明的水下航行体悬停控制示意图；

图2是水下航行体的悬停控制方框图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做进一步的详细说明。

在水下航行体上设计了艏部和艉部垂直槽道推进器，艏艉推进器完全相同，均为无刷直流电机和螺旋桨组成，而无刷直流电机的供电和转速等均由主控计算机控制。

在水下航行体上分别安装了深度传感器和电子罗盘（含纵倾角传感器），主控计算机通过串口分别采集深度传感器的深度数据和电子罗盘的纵倾角数据，为了避免采集的异常值对悬停控制的影响，还对采集到的深度数据进行了排序均值的滤波处理。

主控计算机在实时多用户操作系统下使用C语言，分别实现了水下航行体深度和纵倾角的控制、推进器的推力分配及控制输出，进而实现了水下航行体的悬停控制。

本发明包括以下步骤：

（1）在水下航行体上安装艏部和艉部垂直槽道推进器

为了实现水下航行体在水下一定深度的悬停控制，设计了艏部垂直槽道推进器和艉部垂直槽道推进器，如图1所示，通过适当控制这2个垂直槽道推进器，即可实现水下航行体在水下一定深度的悬停。

（2）分别采集水下航行体的深度和纵倾角参数并进行滤波

为了实现水下航行体的稳定悬停，需要获取水下航行体在水下的深度参数和纵倾角参数，即对深度传感器和纵倾角传感器进行数据采集。为了避免采集到的深度值的离散性，我们对深度数据进行了滤波，滤波方法为采集10个深度数据，然后进行排序，去掉最高值和最低值，取剩余数据的平均值作为当前的真值。

（3）采用控制方法实现深度和纵倾角的控制

水下航行体在悬停的过程中，需要实现深度和纵倾角的控制，如图2所示。

图2中，A₀为给定深度或给定纵倾角，A为反馈深度或反馈纵倾角，E为误差，控制算法输出Pn的计算方法如下：

P_{n} = K_{P} \cdot Δe + {&Integral; Δe \cdot dt + K}_{d} \cdot \frac{dΔe}{dt} \cdot \cdot \cdot . - - - (1)

深度值计算的P_n为水下航行体保持一定深度所需要施加的力，而纵倾角值计算的P_n为水下航行体保持一定深度所需要施加的力矩；Δe为误差，即深度误差或纵倾角误差；Kp、Kd为PID算法的比例控制参数和微分控制参数。

（4）根据推进器布局进行推力分配

根据公式（1）计算出的结果实际上分别是水下航行体保持一定深度和纵倾角所需要施加的力F和力矩。如图1所示，根据推力分配原则，有以下关系式：

F₁+F₂=Pn_深度

F₁×S₁-F₂×S₂=Pn_纵倾

上式中，Pn_深度、Pn_纵倾分别为水下航行体保持一定深度和纵倾角所需要施加的力F和力矩，S₁、S₂均为已知量（即槽道推进器距载体浮心的距离），可计算出F₁和F₂，即艏垂直槽道推进器和艉垂直槽道推进器的推力。根据推进器的推力及螺旋桨的转速与推力关系曲线，就能得到输出给电机的转速控制量。

（5）对艏部和艉部垂直槽道推进器进行输出控制

分别对艏部垂直槽道推进器和艉部垂直槽道推进器进行控制输出，即可实现水下航行体的定深悬停控制。

Claims

1.一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法，其特征在于包括以下步骤：

水下航行体采集安装在航行体上的传感器，将采集到的深度值和纵倾角进行滤波后作为反馈信号，采用PID控制方法实现深度和纵倾角的控制并得到控制量；然后根据推进器布局进行控制量分配，将各推进器的控制量输出至艏部和艉部垂直槽道推进器，实现悬停控制。

2.根据权利要求1所述的一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法，其特征在于：所述将采集到的深度值进行滤波采用排序均值法，具体为采集10个深度数据，然后进行排序，去掉最高值和最低值，取剩余数据的平均值作为当前的真值。

3.根据权利要求1所述的一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法，其特征在于：所述采用PID控制方法实现深度和纵倾角的控制具体为：给定目标值和反馈信息包括深度值和纵倾角；给定目标值和反馈信息作差分别得到深度值和纵倾角误差作为PID控制的输入。

4.根据权利要求1所述的一种无缆自治水下航行体的悬停控制方法，其特征在于：所述深度和纵倾角的控制量Pn分别通过以下公式得出：

P_{n} = K_{P} \cdot Δe + {&Integral; Δe \cdot dt + K}_{d} \cdot \frac{dΔe}{dt}

深度值计算的P_n为水下航行体保持一定深度所需要施加的力，而纵倾角值计算的P_n为水下航行体保持一定深度所需要施加的力矩；Δe为误差，即深度误差或纵倾角误差；Kp、Kd为PID的控制参数。