CN103543748A - 水下拖体姿态控制方法 - Google Patents

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本发明属于海洋监测技术领域，具体涉及一种水下拖体的控制方法。一种水下拖体姿态控制方法，其技术方案是：将探测区域划分为若干个矩形标准作业区，对每个标准作业区进行编号，将每个标准作业区的编号、中心位置的经纬度存储至存储模块，针对每个标准作业区均设定有一个最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；当进入每个标准作业区后，根据情况微调翼板，并根据调节情况更新最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；利用本发明提高水下拖体姿态的控制精度，减少翼板的调节的频度。

Description

水下拖体姿态控制方法
技术领域
本发明属于海洋监测技术领域，具体涉及一种水下拖体的控制方法。
背景技术
海洋作为世界上最大的资源宝库，蕴藏着极其丰富的矿产资源和油气资源，将是人类未来生存和发展必需资源的主要提供者，在海洋勘探活动中，水下拖曳系统得到了最为广泛的应用，水下拖曳系统由水面舰船、专用绞车、拖曳电缆和水下拖体等主要部分组成。在军用领域中，水下拖体安装探测识别声纳，用于执行反水雷、反潜、地形探测、可疑物检测等水下探测任务；在民用领域中，安装温度、盐度、深度、PH值等海洋探测传感器，可用于水文采集和海洋开发，安装探测声纳、水下摄像机等设备，实现沉船、水底线缆检测功能。
执行探测任务时，无论军事用途或是民用领域，都要求水下拖体的姿态必须保持稳定，才能得到理想的探测效果。常规拖体设计中，对于姿态控制精度要求不高的水下拖体，重点配置水下拖的静态稳定性，可通过对机械结构设计、重心、浮心配制进行调节，就可以满足系统作业的需求；对于姿态控制精度要求高的水下拖体，则需要在水下拖体上安装调节翼板，增加水下拖在姿态稳定性，预先调整翼板的攻角，改善拖体的拖曳性能。
发明内容
本发明的目的是：提供一种在水面舰船拖曳速度较高时，水下拖体保持稳定的拖曳姿态的控制方法,该方法能够提高水下拖体姿态的控制精度，减少翼板的调节的频率，提高水下拖曳的探测效率和探测效果。
本发明的技术方案是：一种水下拖体姿态控制方法，它包括以下步骤：
A.在水下拖体的中段左右对称安装水平翼板，尾部左右对称安装差动翼板；
B.在水下拖体内部安装：
调整水下拖体姿态的控制模块；
检测水下拖体的横滚角、俯仰角、经纬度信息的光纤罗经；
检测水下拖体与水底距离的高度传感器；
检测水下拖体与水面距离的深度传感器；
预存水下拖体作业路线以及记录其数据信息的存储模块；
实现水平翼板和差动翼板的角度调节的驱动模块；
C.将探测区域划分为若干个矩形标准作业区，对每个标准作业区进行编号，将每个标准作业区的编号、中心位置的经纬度存储至存储模块，针对每个标准作业区均设定有一个最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
D1.水下拖体工作时，首先利用光纤罗经获取其当前经纬度，与每个标准作业区中心位置的经纬度相比较，确定水下拖体当前所在标准作业区的编号；
D2.进入标准作业区的水下拖体执行该标准作业区的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；进入尚未设定最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角的标准作业区时，水下拖体的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角初始化为0°；
D3.从光纤罗经获取水下拖体的俯仰角和俯仰角速度，判定俯仰角是否超出预存作业路线的允许范围，如超出范围，则使用增量式PID算法调整水平翼板攻角；
从光纤罗经获取水下拖体的横滚角和横滚角速度，判定横滚角是否超出预存作业路线的允许范围，如超出范围，则使用增量式PID算法调整差动翼板攻角；
由控制模块向驱动模块发出调整水平翼板、差动翼板的指令；
D4.将平翼板攻角和差动翼板攻角的调整值记录至存储模块，每更新一次攻角，调整次数加1；存储模块将翼板攻角调整值累加后存储；
D5.判断水下拖体是否驶出该标准作业区，若否，则重复步骤D3；若是，则重复步骤D1，同时调整该标准作业区的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
调整方法为：
对于首次驶出该标准作业区的水下拖体，最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角均等于翼板攻角累加值除以调整次数；对存储模块内的数据进行替换，得到更新后的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
对于非首次驶出该标准作业区的水下拖体，最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角=（翼板攻角累加值÷调整次数+更新前的最优攻角）÷2。
本发明的有益效果是：（1）利用本发明，水下拖体进入一个探测过的水域后，可从存储模块读取最优翼板攻角作为初始攻角，使水下拖体的初始姿态基本保持理想值，即使再次调整，也是在理想的平衡位置进行微调，可缩短水下拖体姿态控制的调整时间，采用了增量式的调整方法，将水下拖体的翼板攻角进行微调，可以减少水下拖体姿态调整的超调量。
（2）本发明将探测作业水域划分为若干个标准作业区域，将各区域内翼板攻角的最优值记录在存储模块，并根据作业情况进行更新。
附图说明
图1为本发明原理框图；
具体实施方式
参见附图1，一种水下拖体姿态控制方法，它包括以下步骤：
A.在水下拖体的中段左右对称安装水平翼板，尾部左右对称安装差动翼板；
B.在水下拖体内部安装：
调整水下拖体姿态的控制模块；
检测水下拖体的横滚角、俯仰角、经纬度信息的光纤罗经；
检测水下拖体与水底距离的高度传感器；
检测水下拖体与水面距离的深度传感器；
预存水下拖体作业路线以及记录其数据信息的存储模块；
实现水平翼板和差动翼板的角度调节的驱动模块；
C.将探测区域划分为若干个矩形标准作业区，对每个标准作业区进行编号，将每个标准作业区的编号、中心位置的经纬度存储至存储模块，本例中，将标准作业区划分为边长2km的正方形区域，在同一标准作业区域内，认为海洋对水下拖体的影响基本一致，当水下拖体的姿态调整稳定后，不会发成剧烈的变化，故针对每个标准作业区均设定有一个最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
D1.水下拖体工作时，首先利用光纤罗经获取其当前经纬度，与每个标准作业区中心位置的经纬度相比较，确定水下拖体当前所在标准作业区的编号；本例中，假设水下拖体进入标准作业区a中；将水下拖体位置与标准作业区域a的中心点比较，经纬度均在其1km范围以内，则水下拖体处在该标准作业区域a内；
D2.进入标准作业区a的水下拖体执行该标准作业区的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；进入尚未设定最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角的标准作业区时，水下拖体的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角初始化为0°；
在探测作业过程中，最为理想的情况是整个过程中，水下拖体的姿态均保持稳定，不需要调整，但由于海洋本身的影响，水下拖体的姿态需要实时地调整，由于之前定义了标准作业区域，在这个区域内海洋影响基本一致，在保持最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角的情况下，即使是调整水下拖体的姿态，也是微调，不会产生大的姿态超调和很长的调整周期，能够保证探测效果；
D3.从光纤罗经获取水下拖体的俯仰角和俯仰角速度，判定俯仰角是否超出预存作业路线的允许范围，如超出范围，则使用下述增量式PID算法调整水平翼板攻角：
水平翼板攻角=当前水平翼板的攻角-0.473×俯仰角-1.43×俯仰角速度-0.015×俯仰角速度累加和；
从光纤罗经获取水下拖体的横滚角和横滚角速度，判定横滚角是否超出预存作业路线的允许范围，如超出范围，则使用下述增量式PID算法调整差动翼板攻角：
差动翼板攻角=当前差动翼板攻角-0.518×横滚角-2.75×横滚角速度-0.015×横滚角速度累加和；
上述计算中，定义水下拖体俯仰角、水平翼板攻角、左侧差动翼板攻角以向下转动为正，水下拖体横滚角以向右为正；增量式PID算法中的各项系数由实验优化取得；
由控制模块向驱动模块发出调整水平翼板、差动翼板的指令；
D4.将平翼板攻角和差动翼板攻角的调整值记录至存储模块，每更新一次攻角，调整次数加1；存储模块将翼板攻角调整值累加后存储；
D5.判断水下拖体是否驶出该标准作业区，若否，则重复步骤D3；若是，则重复步骤D1，同时调整该标准作业区的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
调整方法为：
对于首次驶出该标准作业区的水下拖体，最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角均等于翼板攻角累加值除以调整次数；对存储模块内的数据进行替换，得到更新后的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
对于非首次驶出该标准作业区的水下拖体，最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角=（板攻角累加值÷调整次数+调整前最优攻角）÷2。

Claims (2)

1.一种水下拖体姿态控制方法，其特征是，它包括以下步骤：
A.在水下拖体的中段左右对称安装水平翼板，尾部左右对称安装差动翼板；
B.在水下拖体内部安装：
调整水下拖体姿态的控制模块；
检测水下拖体的横滚角、俯仰角、经纬度信息的光纤罗经；
检测水下拖体与水底距离的高度传感器；
检测水下拖体与水面距离的深度传感器；
预存水下拖体作业路线以及记录其数据信息的存储模块；
实现水平翼板和差动翼板的角度调节的驱动模块；
C.将探测区域划分为若干个矩形标准作业区，对每个标准作业区进行编号，将每个标准作业区的编号、中心位置的经纬度存储至存储模块，针对每个标准作业区均设定有一个最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
D1.水下拖体工作时，首先利用光纤罗经获取其当前经纬度，与每个标准作业区中心位置的经纬度相比较，确定水下拖体当前所在标准作业区的编号；
D2.进入标准作业区的水下拖体执行该标准作业区的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；进入尚未设定最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角的标准作业区时，水下拖体的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角初始化为0°；
D3.从光纤罗经获取水下拖体的俯仰角和俯仰角速度，判定俯仰角是否超出预存作业路线的允许范围，如超出范围，则使用增量式PID算法调整水平翼板攻角；
从光纤罗经获取水下拖体的横滚角和横滚角速度，判定横滚角是否超出预存作业路线的允许范围，如超出范围，则使用增量式PID算法调整差动翼板攻角；
由控制模块向驱动模块发出调整水平翼板、差动翼板的指令；
D4.将平翼板攻角和差动翼板攻角的调整值记录至存储模块，每更新一次攻角，调整次数加1；存储模块将翼板攻角调整值累加后存储；
D5.判断水下拖体是否驶出该标准作业区，若否，则重复步骤D3；若是，则重复步骤D1，同时调整该标准作业区的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
调整方法为：
对于首次驶出该标准作业区的水下拖体，最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角均等于翼板攻角累加值除以调整次数；对存储模块内的数据进行替换，得到更新后的最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角；
对于非首次驶出该标准作业区的水下拖体，最优水平翼板攻角、最优差动翼板攻角=（翼板攻角累加值÷调整次数+更新前的最优攻角）÷2。
2.如权利要求1所述的一种水下拖体姿态控制方法，其特征在于，步骤D3中，调整水平翼板攻角的方法为：
水平翼板攻角=当前水平翼板的攻角-0.473×俯仰角-1.43×俯仰角速度-0.015×俯仰角速度累加和；
调整差动翼板攻角的方法为：
差动翼板攻角=当前差动翼板攻角-0.518×横滚角-2.75×横滚角速度-0.015×横滚角速度累加和。
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