CN103557863A - 水下潜器的阻尼方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下潜器的阻尼方法，包括：确定水下潜器的运动状态；根据所述运动状态，确定要使用的阻尼状态；使用所述确定的阻尼状态对所述水下潜器进行阻尼。通过本发明，能够根据运动状态调整阻尼状态，从而减小了外速度误差对阻尼系统产生的影响。

Description

水下潜器的阻尼方法

技术领域

本发明涉及水下潜器测速技术，尤其涉及一种水下潜器的阻尼方法。 

背景技术

惯性导航系统是水下潜器在水中安全航行的保障，也是相应武器系统的信息基准。与航空、航天领域应用不同，水下潜器惯性导航系统的最大特点是连续长时间提供高精度速度、位置和姿态等导航信息。无阻尼惯导系统为临界稳定系统，存在周期性的振荡误差。对于水下潜器这种加速度小、使用时间长的运载体，这些振荡误差对系统的影响很大。为了抑制振荡误差对水下潜器惯导系统带来的影响，工程上采用引入外速度信息对惯导系统振荡性误差进行阻尼。 

目前常用的水下测速传感器主要是电磁计程仪和多普勒测速声纳。通常所提计程仪精度指的是其在测速场所测精度。对于某些运动形式，以及在某些复杂的运动环境下，测速传感器测量的载体外速度往往存在较大测量误差。当用这些带有测量误差的外速度信息对惯导系统进行阻尼时，这些误差又会对阻尼系统产生误差扰动，进而影响系统阻尼效果。 

发明内容

为了减小外速度误差对阻尼系统产生的影响，本发明提供了一种水下潜器的阻尼方法，通过对水下潜器不同运动状态进行判断，以此来预判测速误差，切换惯性导航系统的阻尼状态。 

一方面，提供了一种水下潜器的阻尼方法，包括：确定水下潜器的运动状态；根据运动状态，确定要使用的阻尼状态；使用确定的阻尼状态对水下潜器进行阻尼。 

通过本发明提供的上述方案，能够根据运动状态调整阻尼状态，从而减小了外速度误差对阻尼系统产生的影响。 

附图说明：

图1是一种水下潜器的阻尼方法流程图； 

图2是阻尼状态由正常阻尼状态切换到无阻尼状态原理图； 

图3是阻尼状态由无阻尼状态切换到正常阻尼状态原理图； 

图4是预判流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实现方式进行具体说明。 

图1是根据本发明实施例的一种水下潜器的阻尼方法流程图，如图1所示，该方法包括： 

确定水下潜器的运动状态； 

根据运动状态，确定要使用的阻尼状态； 

使用确定的阻尼状态对水下潜器进行阻尼。 

优选的，确定使用的阻尼状态包括：判断运动状态是否属于以下至少之一：转弯状态、加速状态、测速异常状态；如果判断结果为是，则确定要使用的阻尼状态为无阻尼状态；否则，确定要使用的阻尼状态为正常阻尼状态，其中，无阻尼状态的阻尼系数为0，正常阻尼状态的阻尼系数为0.5。 

优选的，确定水下潜器的运动状态包括：根据水下潜器的推进动力参数、外测速度参数、和姿态参数，确定水下潜器的运动状态。 

可选的，推进动力参数包括：尾轴螺旋桨转速，外测速度参数包括速度传感器测量速度，姿态参数包括惯导输出姿态。 

本发明实施例还提出了一种基于运动状态的测速误差预判方案，如图4所示，该方法包括： 

步骤一：通过水下潜器工作过程当中的推进动力参数（例如，尾轴螺旋桨转速）、外测速度参数（例如，速度传感器测量速度）、和姿态参数（例如，惯导输出姿态）的变化规律，对水下潜器的运动状态进行分析。 

1．定深匀速直航 

该状态下水下潜器的运动参数特点包括： 

1）尾轴螺旋桨转速 

尾轴螺旋桨转速可看作水下潜器运动的动力参数，稳定运行状态（例如，定深匀速直航）下的尾轴螺旋桨转速为固定值，其值大小与水下潜器的运行速度成正比。 

2）速度参数 

稳定运行状态下的水下潜器运动速度基本保持恒定。 

3）姿态参数 

由于该运动本身即保持航向固定，航向信息在这种状态下的振荡幅度很小。 姿态分为有纵倾角和无纵倾角两种情况，由于风海流的作用，水平方向会呈现周期性摇摆，其幅度和周期都会大于航向的变化。 

2．定深变速航行 

在定深变速航行情况下，水下潜器的运动状态虽大部分时间为稳定运行，然而水下潜器的运动也必定伴随着启动、加速、减速等线运动状态。潜器的加速、减速靠尾轴螺旋桨的转速来调节。将水下潜器推进速度提高到某值时，需要改变尾轴螺旋桨的转动速度。然而水下潜器在水中运行不仅受到螺旋桨的推力，而且受到惯性水动力和粘性水动力等的影响。因此，在水下潜器线加减速运动状态下，尾轴螺旋桨转速与水下潜器运动速度之间的关系会发生变化。下面对这种变化进行具体说明。 

1）尾轴螺旋桨转速 

水下潜器的加速指令即为操艇人员将尾轴螺旋桨电机转速提高到另一个值。因此，加速过程中的尾轴螺旋桨转速变化情况较为简单，只是在加速指令下达后就快速地从原转速上升到新转速。同理，减速指令下达后尾轴转速就迅速的下降到新转速。 

2）速度参数 

由于惯性水动力问题的存在，在加减速过程中水下潜器实际的运动速度变化要慢于尾轴螺旋桨转速变化。线加速过程中，即便尾轴转速迅速的提升到了更快的转速，水下潜器的速度也不会随其迅速的上升到预期值，而是会缓慢的增长，经过一段较长的时间才能够完成加速过程，使速度稳定在新的数值。 

3）姿态参数 

由于线加减速没有舵角指令，姿态的变化程度总体上与匀速直线运动相近。只是加减速过程中俯仰角会出现小幅的常值变化，一般可不予考虑姿态参数的变化。 

3．水下回转运动 

直航中的水下潜器，把方向舵转到一定舵角并保持不变，水下潜器偏离原航线而作曲线运动，称为水下回转运动。回转是水下潜器最基本、最常见的机动状态之一。在转向过程中计程仪测速误差变化最为剧烈，因此转向过程中的运动参数变化需要进行研究。 

由于水下潜器的转向运动是靠舵角指令来完成的，按照回转过程中运动参数变化的特点，把回转运动分为转舵、发展和定常三个阶段。 

a、转舵阶段 

从转舵开始到转舵至规定舵角，时间为8-15秒。运动特征为：产生“反向横移”（或称“外冲”）。 

b、发展阶段 

从转舵终了到水下潜器进入定常回转运动的阶段称为发展阶段，航向改变90度左右。十字尾水下潜器由外倾转为内倾，并有动力效应，产生突倾动力横倾角φ_d，与定常回转时的稳定静力横倾角φ_s有相应关系。 

c、定常阶段 

如果无风浪、流的影响，此时艇的重心作匀速圆周运动。 

在转向过程中，由于舵角水动力的存在和航向的变化，水下潜器的运行线速度和姿态都会发生剧烈变化（例如，主动力未变，速度减小，方向剧烈变化，和纵横摇发生变化中至少之一）。运动参数的变化规律如下： 

1）尾轴螺旋桨转速 

在操控水下潜器进行转向时，螺旋桨转速在转向过程中保持不变。 

2）速度参数 

转舵回转时，水下潜器和舵的阻力、流向螺旋桨的水流及主机的工作情况都发生变化，因而螺旋桨的推力也发生变化，艇的航速要下降，且幅度较大，一般降幅约为20%-40%。由于航向发生变化，直线运动方向的动力有一部分被转化为转向所需的向心加速度。又由于惯性水动力的存在，水下潜器在转向过程中惯性水动力会为水下潜器提供横向运动的动力。因此，水下潜器的运行线速度会减慢，横向速度会增大。 

3）姿态参数 

在舵角指令的作用下，水下潜器的航向会剧烈的变化，直至稳定在预期的航向位置上。伴随着航向的变化，水下潜器在转向过程中会出现横倾角。 

步骤二：根据尾轴螺旋桨推进动力参数、外测速度参数、和姿态参数对水下潜器运动状态进行判定； 

各种运动状态的进入与渐消将决定外速度误差，因此对运动状态的判断可分为误差进入模式和误差渐消模式的判断。 

1.误差进入模式的判断 

水下潜器大部分时间都在平稳运行，测速误差为小量，对系统的阻尼状态影响较小。当水下潜器处于机动运行状态或者受到复杂海况的影响时，计程存在较大的测仪测量的外速度会量误差。根据前文对水下潜器不同运动状态下对外速度 误差影响的分析以及各运动参数变化规律的分析，可以建立动态参数与外速度误差之间的联系。阻尼状态由正常阻尼状态切换到无阻尼状态的原理如图2所示。 

1）进入转向运动的判断 

在水下潜器接收到舵角指令后，水下潜器将会逐渐开始进入转向状态。转向过程中由于惯性水动力和舵角水动力的作用，水下潜器艏艉向速度会比平稳运行中的速度小，水下潜器横向速度朝转向的外侧方向增大，水下潜器的航向会朝向一个方向变化。 

因此，转向时运动参数特点包括： 

a.尾轴转速不变但计程仪测得的艏艉向速度变小。 

b.计程仪测得的水下潜器横向速度朝向同一方向变化。 

c.航向变化率δK持续保持同一方向，且与横向速度变化的方向相反。 

d.航向转弯过程中产生横摇角。 

转向幅度越大时，以上四个特点表现越明显。由于以上几个特点中，航向变化率δK和横摇角为转向运动比较容易分辨，因此若满足c和d，即可判定水下潜器进入转向运行状态，使惯导系统切换至无阻尼模式。 

2）进入线加减速状态的判断 

可以尾轴螺旋桨转速的变化作为判断依据，判断进入线加减速状态。当尾轴螺旋桨转速突然变化到更高的值，即可判断水下潜器进入线加速状态，反之则可判断水下潜器进入线减速状态。 

3）风海流变化或计程仪故障的判断 

由于此种情况下计程仪测速误差的变化与运动形式无关，因此，此种情况下不会有额外的尾轴螺旋桨转速变化的指令和舵角指令。而此种情况下计程仪的测量速度变化剧烈。因此，若螺旋桨转速不变，且航向不剧烈变化时，计程仪测速情况变化剧烈。此时可判断风海流变化幅度大或计程仪出现故障。 

2.误差渐消模式的判断 

阻尼状态由无阻尼状态切换到正常阻尼状态的原理如图3所示。 

在测速误差变化剧烈的情况下，为了不使外测速度误差变化影响系统的精度，惯导系统通常工作在无阻尼模式（无阻尼模式是指惯性导航系统中没有引入阻尼环节，阻尼系数为零）。然而机动过后，外测速度误差趋于平稳，仍需使惯导系统重新工作在阻尼或强阻尼状态消除系统振荡误差。因此，系统在进入无阻尼模式后还需要判断出何时水下潜器运动进入了新的稳定运动状态，将惯导系统 切换回正常阻尼（正常阻尼模式是指惯性导航系统中引入了阻尼环节，阻尼系数为0.5）工作模式。下面介绍误差消除模式的判断方法： 

1）转向运动结束的判断 

水下潜器转向运动结束阶段，航向变化幅度会逐渐减小。由于惯性水动力的作用，转向结束后一段时间内，艏艉向速度和横向速度不会迅速提升至稳定运行状态，而是逐渐的变化并最终稳定。因此判断转向运动结束后的判据可按如下三个条件进行设定： 

a.后一时刻航向与前一时刻航向的差值δK不再保持同一方向，且数值小至一定程度。 

b.在a的基础上横向速度V_x与艏艉向速度V_y变化减小并稳定在一个值的附近。 

c.横摇角逐渐减小，稳定一段时间之后。 

若系统由于转向切换至无阻尼状态，那么在满足以上条件后，即可认为转向运动结束。 

2）线加减速结束的判断 

进入线加减速状态的切换较为简单，可直接以尾轴螺旋桨转速指令的变化作为判断依据。然而，加速运动的速度变化无法像尾轴转速一样快速的达到预期值，水下潜器的运动速度最初可能并没有变化，随后将缓慢增加并稳定在螺旋桨转速所对应的速度值。 

因此，若系统由于线加减速进行了状态切换，那么切回阻尼状态的判据可包括如下两个条件： 

a.进入线加减速状态切换后计时，计时器达到一定时间。 

b.在条件a的基础上，艏艉向速度保持一段时间内稳定。 

满足以上两个条件，即可认为线加减速运动结束。 

3）风海流剧烈变化或计程仪故障结束的判断 

由于该种情况出现的特点为螺旋桨转速和航向都没有变化，但外测速度变化突然剧烈。因此，若系统由于该种情况进行切换，那么可在艏艉向速度稳定时切回。 

步骤三：对多普勒计程仪在不同运动状态下的测速误差的影响形式进行分析； 

由于外测速度误差是惯导系统状态切换的依据，外测速度误差的变化形式也就成了影响系统的最为重要的因素之一。对于水下潜器惯导系统，常用的外测速 度传感器为电磁计程仪和多普勒测速声纳。由于影响惯导系统的速度误差是在地理坐标系上定义的，并且测速误差会受到载体的运动而发生变化。因此，我们除了分析多普勒计程仪本身的测速误差形式外还要分析运动过程中计程仪的测速误差在地理坐标系上的变化形式。 

计程仪的精度是在测速场测得的，测速过程中要求的条件包括：有足够的水深（防止泥沙影响）；测量三个航次，取加权平均值作为结果（去除了洋流的影响）；保持匀速航行，航向控制在±1度以内（去除了摇摆）。以上条件保证了精度评定的基准，同时也说明计程仪的精度是在以上理想条件下测得的，而在水下潜器的实际运行过程中，以上这些理想条件遭到破坏，从而引起计程仪的测速误差。 

本发明实施例不考虑由于声速、有限波束宽度等设备本身的原理性误差，而是从水下潜器运动角度出发，考虑由载体的运动导致的不可避免的测速误差形式。下面分析不同的运动状态下速度多普勒计程仪测速误差的变化形式。 

1）状态切换所引起的误差变化 

由于当载体距水底的距离超过一定数值时，使用底跟踪的声速误差会很大。因此在多普勒计程仪的使用中可能会出现水跟踪与底跟踪工作模式的切换。由于水跟踪模式所测速度为相对水的速度，底跟踪模式测量的是相对地的速度。因此，水跟踪和底跟踪切换时会使洋流误差的影响发生变化。此种阶跃性的测速误差对阻尼惯性导航系统的影响很大。 

2）线加减速过程中的误差变化 

多普勒计程仪测速误差形式也为ΔC·V的形式。因此，在载体线加减速过程中，测速误差也会随着速度的变化而变化。载体系上测速误差的变化形式与速度的变化形式相同。同样为了平滑噪声，计程仪输出多进行平化处理，在快速机动中会引入延迟造成的误差。 

3）转向过程中的误差变化 

由式（2）得载体系的误差为常系数形式，通常可看作载体系上的常值误差。该误差作用在载体系上，因此对于地理东向、北向上的速度误差而言，该误差也是随航向姿态的变化而剧烈变化的。 

${\mathrm{\δV}}_{\mathrm{dvl}}^n=C_b^n{\mathrm{\δV}}_{\mathrm{dvl}}^b---\left(3\right)$

若使用詹姆斯配置可不考虑水平倾角，直接考虑航向的投影问题。那么上面方程可以简化为式（2）的形式，从而简化分析： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{\δV}}_{\mathrm{dvle}}=\sin \left(H\right){\mathrm{\δV}}_{\mathrm{dvl}}^n\\ {\mathrm{\δV}}_{\mathrm{dv}\ln }=\cos \left(H\right){\mathrm{\δV}}_{\mathrm{dvl}}^n\end{array}---\left(4\right)$

其中：

为在载体坐标系下的速度误差； 

为载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵； 

为在地理坐标系中的速度误差； 

δV_dvle为在地理坐标系中东向速度误差； 

δV_dvln为在地理坐标系中北向速度误差； 

H为航向角。 

因此，可认为不论是多普勒计程仪还是电磁计程仪，地理系上的速度误差在转向过程中变化最为剧烈。 

步骤四：通过实船实验测量出的数据对不同运动状态的测速误差的大小进行量化； 

对于不同的船只，计程仪安装和船只本身的特点各不相同，因此需要进行实船的测量，由步骤三的各种误差影响形式可对测速误差进行量化。 

步骤五：根据测速误差大小划分阻尼状态：正常阻尼状态，无阻尼状态； 

当计程仪测速误差较小的时候，适当的减弱阻尼强度，仍可以使其工作在阻尼状态，针对测速误差的大小，可以对惯导系统得阻尼状态进行强度划分。如果划分的阻尼强度的档次过多，切换过于频繁，不但由于阻尼切换会引入超调，并且阻尼的效果也得不到充分体现。本发明实施例将阻尼强度分档分为无阻尼和正常阻尼两个档。 

步骤六：各种阻尼状态的切换。 

对于阻尼强度的选择采取自动判断和人工切换相结合的方法，对于水下潜器的转向和大机动状态下，采用自动判断切换的方式。而对于由于洋流、悬停以及计程仪状态频繁切换等状态等无法对测速误差进行准确判断的情况下采取人工切换的方式。 

通过上述本发明实施例，能够实现以下效果： 

一、从运动状态的角度来判定测速误差，即利用水下潜器自身的运动信息进行判断，在没有引入外部高精度测量设备的条件下就能完成测速误差的判定； 

二、详细分析了水下潜器运动状态的特征及其规律，分析不同运动状态下的外速度误差的形式以此确定阻尼状态，能够使惯性导航系统阻尼状态的设置有依 据可循； 

三、通过自动切换阻尼状态能够使惯性导航系统提供更加及时、精确的导航信息。 

上述实施例仅是本发明的优选实施例，并不用于限定本发明的保护范围。在不偏离本发明的本质和精神的基础上，本领域技术人员能够做出各种变型，这些变型也应在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种水下潜器的阻尼方法，其特征在于，包括：

确定水下潜器的运动状态；

根据所述运动状态，确定要使用的阻尼状态；

使用所述确定的阻尼状态对所述水下潜器进行阻尼。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述运动状态，确定使用的阻尼状态包括：

判断所述运动状态是否属于以下至少之一：转弯状态、加速状态、测速异常状态；

如果判断结果为是，则确定要使用的阻尼状态为无阻尼状态；否则，确定要使用的阻尼状态为正常阻尼状态，其中，所述无阻尼状态的阻尼系数为0，所述正常阻尼状态的阻尼系数为0.5。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定水下潜器的运动状态包括：

根据所述水下潜器的推进动力参数、外测速度参数、和姿态参数，确定所述水下潜器的运动状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述推进动力参数包括：尾轴螺旋桨转速，所述外测速度参数包括速度传感器测量速度，所述姿态参数包括惯导输出姿态。

Images