CN103274016B - 一种高速水下自主航行器及其专用控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下自主航行器制造、控制领域，具体涉及一种高速水下自主航行器及其在水下高速航行期间的纵向运动的稳定控制方法。高速水下自主航行器包括高速水下自主航行器本体，圆形具有锋利边缘的气泡发生器位于水下自主航行器头部；压力平衡装置安装在水下自主航行器前部和中部按圆周布置，可喷出气体，平衡气泡内压力，促进气泡成形；压力传感器紧贴每个压力平衡装置进行安装；两个圆筒状可变角度推力装置对称安装在水下自主航行器尾部的壳体表面；6个圆筒状固定推力装置均匀的安装在水下自主航行器尾部壳体的圆周表面。本发明在AUV需要进行长时间和远距离探测时，节约了AUV自身电池的消耗，增加了AUV探测的范围，提高了续航时间。

Description

一种高速水下自主航行器及其专用控制方法

技术领域

本发明属于水下自主航行器制造、控制领域，具体涉及一种高速水下自主航行器及其在水下高速航行期间的纵向运动的稳定控制方法。

背景技术

AUV(autonomous underwater vehicle)，即水下自主航行器，已广泛应用于海底地形探测、海洋环境勘察及水下目标搜寻等环境恶劣的水下作业。一般情况下，AUV执行任务的范围取决于其内部电池的容量，若遇到较远路程且单程探测情况（如：水下物品搜寻等）则需要水面船只随行进行有缆探测或多次探测，这使得任务成本升高。若在AUV不使用内部电池的情况下，将其投放至需探测范围内、且能够返航的最远处，然后以正常方式执行任务并返航，可节省成本。

Savchenko在2001年发表的“Supercavitation-Problems and Perspectives”（CAV2001:lecture.003）一文中给出了水下航行体能够高速航行的气泡减阻方式和4种可控平衡状态，其模型的航速一般超过100m/s(约200节)，远超过现有的螺旋桨驱动的水下航行体（最高约60节），所以称其为高速水下航行体。Balint Vanek等人在“Longitudinal motioncontrol of a high-speed supercavitation vehicle.”（Journal of Vibration and Control（2007:159-184）提出了按以上4种方式中的2种（航行体全部包裹在气泡中状态和航行体大部包裹在气泡中只有尾部探出气泡状态）的控制策略研究，但其使用传统的尾舵参与控制，在实际工程应用中尾舵的操作难度和对气泡的破坏都很大，很难实现。

因此本专利给出了一种高速AUV设计，提出利用可变角度推力装置进行分段控制的控制方法，可以有效克服可变角度推力装置的反应慢、误差大等缺点，将其用于高速航行的AUV的运动控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不消耗自身内部电池，且在短时间内高速航行的水下自主航行器，本发明的目的还在于提供一种令这种水下自主航行器在高速航行阶段保持稳定航行的专用控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

高速水下自主航行器包括高速水下自主航行器本体，圆形具有锋利边缘的气泡发生器位于水下自主航行器头部；压力平衡装置安装在水下自主航行器前部和中部按圆周布置，可喷出气体，平衡气泡内压力，促进气泡成形；压力传感器紧贴每个压力平衡装置进行安装；两个圆筒状可变角度推力装置对称安装在水下自主航行器尾部的壳体表面；6个圆筒状固定推力装置均匀的安装在水下自主航行器尾部壳体的圆周表面。

高速水下自主航行器的专用控制方法，由任务控制模块与传感器模块连接；任务控制模块与运动控制模块相互连接；高速控制机构与任务控制模块相连，包括如下步骤：

（1）在高速水下自主航行器发射前，通过传感器模块探测，将姿态信号发送给任务控制模块；

（2）当高速水下自主航行器俯仰角接近0°时，任务控制模块通过受力平衡计算，得出气泡发生器的初始角度，向运动控制模块发出信号；

（4）运动控制模块接收信号后，控制高速控制机构的气泡发生器偏转初始角度后点燃固定发动机；

（5）传感器模块探测壳体压力分布和高速水下自主航行器姿态，经卡尔曼滤波后送交任务控制模块：

1）当壳体压力分布不均时，任务控制模块向运动控制模块发出信号，使用PID控制器控制压力平衡系统给出补充气体，促使壳体外部压力尽快平衡，形成减阻气泡；

2）当高速水下自主航行器姿态不稳定，使用PID控制器调节气泡发生器角度，直至高速水下自主航行器姿态稳定。

（6）任务控制模块收到传感器模块发送的高速水下自主航行器姿态稳定信息后，计算需要的可变推力装置的偏转角度，向运动控制模块发出信号，控制高速控制机构的可变推力装置偏转角度，使用编码盘校准，启动可变推力装置，并根据传感器模块的信息，通过任务控制模块和运动控制模块调节控制高速控制机构的气泡发生器角度，直至传感器模块得到的壳体外部压力信号处于稳定状态，水下自主航行器姿态稳定为止，所有推进器同时停止工作，高速水下自主航行器恢复普通工作状态。

本发明的有益效果是：

在AUV需要进行长时间和远距离探测时，在初始阶段能在短时间内依靠外挂推力进行高速航行，缩小了无探测区域的航行时间，节约了AUV自身电池的消耗，增加了AUV探测的范围，提高了续航时间。

附图说明

图1为AUV高速航行控制装置结构框图；

图2为高速AUV控制机构简图；

图3为可变角度助推机构简图；

图4为高速AUV控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述

本发明的面向海洋探测的高速航行AUV，包括高速控制机构和基本控制模块，包括高速控制机构，任务控制模块，传感器模块，运动控制模块；任务控制模块与传感器模块连接；任务控制模块与运动控制模块相互连接；高速控制机构与任务控制模块相连，见图1。

通过高速运动控制机构的结构实现AUV的高速航行的目的；传感器模块采集AUV高速运动阶段的压力分布和姿态信息，实时提供给任务控制模块；任务控制模块接收传感器模块的信息和运动控制模块的反馈信息，使用卡尔曼滤波处理得到的信息，针对AUV的状态分段采用不同的控制方法，通过PID控制器得出控制参数，并发送数字化控制量给运动控制模块；运动控制模块根据任务控制模块的指令向高速运动控制机构发出命令，高速运动控制机构完成控制动作，运动控制模块将结果反馈回任务控制模块，完成对AUV高速运动阶段的控制。

本发明的AUV在高速航行阶段的控制方法为：

由高速控制机构，任务控制模块，传感器模块，运动控制模块组成了高速AUV的基本结构和控制装置；

高速控制机构，是在传统AUV的基础上，增加的高速控制机构，如图2所示，包括：

气泡发生器（1）：处于AUV头部，圆盘状、边缘锋利，可绕OZ轴偏转；

压力平衡装置（2）：可喷出气体，平衡气泡内压力，促进气泡成形，在AUV前、中部按圆周布置（每圆周4个），AUV尾部不安装；

压力传感器安装（3）：压力传感器安装（3）紧贴每个压力平衡装置（2）安装，在AUV前、中、尾部按圆周布置（每圆周4个），尾部传感器不能与安装在推力装置喷射口后部。

尾部圆筒状可变角度推力装置（4）：共2个，产生的推力固定;安装、驱动装置如图3所示，其安装在AUV尾部壳体表面②（位于XOZ平面内），偏转角度由编码电机控制，可绕OZ轴偏转，可变推力装置（4）由驱动电机（编码电机）①驱动旋转装置③带动传动轴④带动可变角度助推装置（4）转动；

圆筒状固定推力装置（5）：AUV尾部壳体表面安装，6个，每个推进装置产生的推力固定，以需要达到的速度为依据事先设定；

姿态检测装置安装在AUV内部XOZ平面上，各个方向轴与OX、OY、OZ轴重合，AUV俯仰角为绕OZ轴旋转角。

此结构实现AUV高速航行的可行性见文献“Supercavitation-Problems and Perspectives”。图2中，O为AUV的几何中心，OY轴为重力方向反向，OX轴贯穿AUV首尾、指向头部，OZ轴垂直于XOY平面。

任务控制模块，AUV高速控制装置的核心，任务控制模块接收传感器模块检测到的压力和角度信息，使用卡尔曼滤波处理得到的信息，根据AUV状态使用不同的控制方法，最后使用PID算法得出控制指令送给运动控制模块，并根据运动控制模块的反馈重新给出控制指令。

传感器模块，检测AUV的姿态、壳体表面压力等状态信息，供给任务控制模块，为AUV高速运动的状态检测和分段控制提供反馈信息。

运动控制模块，包括气泡发生器角度控制器、可变角度推力装置控制器和压力平衡装置等，根据任务控制模块发出的控制指令对高速控制机构进行控制，并将执行情况反馈回任务控制模块。

本发明的面向海洋探测的高速航行AUV，包括高速控制机构和基本控制模块，包括高速控制机构，任务控制模块，传感器模块，运动控制模块；任务控制模块与传感器模块连接；任务控制模块与运动控制模块相互连接；高速控制机构与任务控制模块相连。

参考控制过程框图4，在AUV发射前，通过传感器模块探测，将姿态信号发送给任务控制模块，当AUV俯仰角接近0°时，任务控制模块通过受力平衡计算，得出气泡发生器的初始角度；任务控制模块向运动控制模块发出信号，运动控制模块接收信号后，控制高速控制机构的气泡发生器偏转初始角度后点燃固定发动机；感知模块感知壳体压力分布和AUV姿态，经卡尔曼滤波后送交任务控制模块，当壳体压力分布不均时，任务控制模块向运动控制模块发出信号，使用PID控制器控制压力平衡系统给出补充气体，促使壳体外部压力尽快平衡，形成减阻气泡；当AUV姿态不稳定，使用PID控制器调节气泡发生器角度，直至AUV姿态稳定（有基本稳定的俯仰角，一般10°以内）。当AUV姿态稳定，前、中部壳体压力稳定（明显小于液体中压力），而后部压力变化较大（AUV尾部在泡体外），此时为第一阶段控制，AUV处于初步稳定状态，只有尾部探入水中，符合Savchenko提出的稳定状态之一，但尾部震动很大，并不是完全稳定，有失稳的隐患。

任务控制模块收到传感器模块发送的代表第一阶段稳定的信息（AUV姿态稳定（有基本稳定的俯仰角），前、中部壳体压力稳定，而后部压力变化较大）后，计算需要的可变推力装置的偏转角度，向运动控制模块发出信号，控制高速控制机构的可变推力装置偏转一定角度，使用编码盘校准，启动可变推力装置，并根据传感器模块的信息，通过任务控制模块和运动控制模块调节控制高速控制机构的气泡发生器角度，直至传感器模块得到的壳体外部压力信号处于稳定状态（均小于处于液体中的压力），AUV姿态稳定（有基本稳定的俯仰角）为止，此为第二阶段控制。直至推进器之一工作完毕，所有推进器同时停止工作，AUV恢复普通工作状态。

本发明将气泡发生器做为主控制器，参与整个控制过程，可变角度推力装置为辅，参与第二阶段控制。而且，可变推角度力装置是在AUV实现初步稳定状态后参与控制的，有充足的时间计算偏转的角度并进行机械调节和校准，特别是可变角度推力装置在启动后偏角不变，推力不变，不需要进行实时控制，这就规避了可变推力装置控制的缺点，发挥了它的优点。

Claims (1)

1.一种高速水下自主航行器专用控制方法，高速水下自主航行器包括高速水下自主航行器本体、高速控制机构、任务控制模块、传感器模块和运动控制模块，所述高速控制机构包括气泡发生器、压力平衡装置、压力传感器、可变角度推力装置、固定推力装置；圆形具有锋利边缘的气泡发生器（1）位于高速水下自主航行器头部；压力平衡装置（2）安装在高速水下自主航行器前部和中部按圆周布置，可喷出气体，平衡气泡内压力，促进气泡成形；压力传感器（3）紧贴每个压力平衡装置（2）进行安装；两个圆筒状可变角度推力装置（4）对称安装在水下自主航行器尾部的壳体表面；6个圆筒状固定推力装置（5）均匀的安装在高速水下自主航行器尾部壳体的圆周表面；任务控制模块与传感器模块连接；任务控制模块与运动控制模块相互连接；高速控制机构与运动控制模块相连，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在高速水下自主航行器发射前，通过传感器模块探测，将姿态信号发送给任务控制模块；

（2）当高速水下自主航行器俯仰角接近0°时，任务控制模块通过受力平衡计算，得出气泡发生器的初始角度，向运动控制模块发出信号；

（4）运动控制模块接收信号后，控制高速控制机构的气泡发生器偏转初始角度后点燃固定推力装置；

（5）传感器模块探测壳体压力分布和高速水下自主航行器姿态，经卡尔曼滤波后送交任务控制模块：

1）当壳体压力分布不均时，任务控制模块向运动控制模块发出信号，使用PID控制器控制压力平衡装置给出补充气体，促使壳体外部压力尽快平衡，形成减阻气泡；

2）当高速水下自主航行器姿态不稳定，使用PID控制器调节气泡发生器角度，直至高速水下自主航行器姿态稳定；

（6）任务控制模块收到传感器模块发送的高速水下自主航行器姿态稳定信息后，计算需要的可变角度推力装置的偏转角度，向运动控制模块发出信号，控制高速控制机构的可变角度推力装置偏转角度，使用编码盘校准，启动可变角度推力装置，并根据传感器模块的信息，通过任务控制模块和运动控制模块调节控制高速控制机构的气泡发生器角度，直至传感器模块得到的壳体外部压力信号处于稳定状态，高速水下自主航行器姿态稳定为止，所有推力装置同时停止工作，高速水下自主航行器恢复普通工作状态。