CN105383654B - 一种自主式水下潜器的深度控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及的是一种能够实现自主式水下潜器在大深度、长航时情况下的快速、精确的深度控制的自主式水下潜器的深度控制装置及其控制方法，该方法。自主式水下潜器的深度控制装置，包括深度数据采集系统、浮力调节系统、推进系统、深度控制器、大深度水下潜器浮力模型，深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深传感器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号同步和融合，提取出潜器的深度信息，分别传送到深度控制器和浮力模型。采用浮力调节装置和推进器进行组合设计潜器的深度控制系统，既满足系统深度控制的快速性要求，也保证深度伺服控制的稳定性和鲁棒性。

Description

一种自主式水下潜器的深度控制装置
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及的是一种能够实现自主式水下潜器在大深度、长航时情况下的快速、精确的深度控制的自主式水下潜器的深度控制装置及其控制方法，该方法。
背景技术
自主式水下潜器的深度控制系统的输出推进装置一般为两种:一种为普通的螺旋桨，为了满足其垂向的运动要求，产生垂向的推力，需要在艇体的垂向上至少布置一个槽道螺旋桨；另一种为布置水平舵(或叫水平翼)，通过运动时水平舵产生升力，进而改变自主式水下潜器纵倾角，藕合轴向运动，产生上升和下潜运动。
但上述两种做法存在以下缺点:
1、在水下高速航行时，槽道螺旋桨存在较大的推力减额问题，甚至会出现深度失控；槽道桨定深航行消耗能量较多，减少了自主式水下潜器的航程；在遇到较大垂向海流的时候，仅凭垂向槽道桨，可提供的抵抗能力较弱。
2、水平舵调节纵倾只有在大航速下，才有较高的舵效；单纯采用水平舵无法实现垂直潜伏运动，只能进行运动潜伏；通过航行中水平舵调节纵倾，虽然消耗能量较少，但水平舵提供升力的同时，也有较大的阻力，需要主推螺旋桨消耗更多的能量来完成定速运动。
潜器需要在低速和停悬状态下定深，水平舵失去作用。一般依靠垂直槽道推进器以实现自动定深，同时通过浮力调整系统使潜器保持良好的浮力均衡。
在相同试验条件下，研究了大量阶跃响应过程，发现自主式水下潜器在实际的下潜运动过程中，经常出现深度控制方面为控制响应带来很大的超调，而且在深度保持阶段距离期望深度的偏差较大。这是由于自主式水下潜器在下潜并要求实现定深运动的过程中，实际运动环境中存在干扰(如海流、海浪)，以及在不同航速下自主式水下潜器本身不确定的水动力特性和模型参数，所设计的控制系统不能克服这些变化给控制对象带来的影响，在深度动态响应阶段平台很有可能暂时失去控制，引起大超调；在稳定航行阶段平台也不能保持期望深度。
许多研究机构研究了一种浮力调节装置，根据水深调整潜器的浮力状态，使潜器在定深情况下，保证浮力和重力相等，保证潜器在定深下的稳定。但是仅仅依赖浮力调节系统控制潜器的定深，其反应速度和鲁棒性较差。
目前关于自主式水下潜器的深度控制装置的一些设计中，《自治水下机器人的非光滑有限时间控制》宋杏果论文中设计的非光滑有限时间控制方法，可以避免了失速现象又使其下潜的快速性得到提高，但是其可靠性和精度有待提高。《小波神经网络自抗扰控制器在水下机器人深度控制中的应用》《计算机与现代化》2015年第6期，本文中设计的小波神经网络自抗扰控制器抗干扰能力强，稳定性高，但在响应速度和能耗方面还不能满足实际任务的要求。《水下机器人浮力调节系统及其深度控制技术研究》李建朋论文中所设计的控制器中，滑模模糊控制器对于水下潜器大深度范围的无动力升沉运动具有响应快、能耗少等控制效果，但是控制精度不高，超调量大，在实际的应用中对水下潜器造成威胁；自适应滑模模糊深度控制器对于水下潜器具有高的控制精度，但是响应速度慢，能耗大。这两种深度控制器都不能兼顾控制精度高和系统能耗少这两方面的因素。
本发明采用浮力调节装置和潜器的推进器进行联合调节，并采用复合的控制方法实行大深度、长航时的潜器深度控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种通用的自主式水下潜器的深度控制装置。
本发明的目的是这样实现的：
自主式水下潜器的深度控制装置，包括深度数据采集系统、浮力调节系统、推进系统、深度控制器、大深度水下潜器浮力模型，深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深传感器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号同步和融合，提取出潜器的深度信息，分别传送到深度控制器和浮力模型；浮力调节系统用于调节水下潜器的浮力，实现定深状态下的潜器的浮力和重力相等，保证潜器的高精度定深控制；推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舵组成，为自主式水下潜器提供前进和下潜的动力；深度控制器根据自主式水下潜器的中心控制器传送的深度控制指令，比较深度信息采集系统传送的深度信息，同时依据浮力模型计算出的潜器浮力信息进行综合计算和控制，将计算出的深度控制指令发送给浮力调节系统和自主式水下潜器的动力控制系统，实现深度控制；大深度水下潜器浮力模型依赖海洋的不同深度的盐度、压力、温度，根据实际经验数据建立潜器的浮力模型，为水下潜器的深度控制提供详尽的参数。
本发明与现有技术相比，具有以下突出实质性的优点和有益效果：
(1)采用浮力调节装置和推进器进行组合设计潜器的深度控制系统，既克服单纯依赖浮力调节系统控制的反应速度慢问题，满足系统深度控制的快速性要求，也克服了单纯依赖推进器系统在目标深度时的伺服控制的震荡和抗干扰能力差的问题，保证深度伺服控制的稳定性和鲁棒性。
(2)采用多尺度深度控制组合方法，根据不同海况和海深调整控制策略和选用控制装置的组合方法，实现潜器的深度精确快速控制。
(3)设计的浮力调节系统和推进器采用能量优化原则，减少执行机构的能源消耗，提高潜器的水下运行时间。
附图说明
图1深度控制系统结构示意图；
图2深度控制装置；
图3多尺度的控制方式；
图4浮力调节系统；
图5浮力控制过程；
图6本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述。
本发明涉及水下机器人领域，提供了一种自主式水下潜器深度控制系统结构及其控制方法。该结构适用于大深度、长航时的自主式水下潜器，分为深度数据采集系统、浮力调节系统、推进系统、深度控制器等四个部分：深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深传感器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号同步和融合，提取出真实潜器的深度信息，分别传送到深度控制器；浮力调节系统用于调节水下潜器的浮力，实现定深状态下的潜器的浮力和重力相等，保证潜器的高精度定深控制；推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舵组成，为自主式水下潜器提供前进和下潜的动力；深度控制器中包含大深度水下潜器浮力模型，该模型依赖海洋的不同深度的盐度、压力、温度，根据实际经验数据建立潜器的浮力模型，为水下潜器的深度控制提供详尽的参数，深度控制器根据自主式水下潜器的中心控制器传送的深度控制指令，比较深度信息采集系统传送的深度信息，同时依据控制器中建立的浮力模型计算出的潜器浮力信息进行综合计算和控制，将计算出的深度控制指令发送给浮力调节系统和自主式水下潜器的动力控制系统，实现深度控制。本发明还提供快速、精确深度组合控制方法。本发明为多种型号的自主式水下潜器提供了一种大深度长航时的快速精确深度控制装置和方法，为自主式水下潜器稳定的水下作业提供保证。
自主式水下潜器的深度控制装置及其控制方法，该结构适用于大深度、长航时的自主式水下潜器，分为深度数据采集系统、浮力调节系统、推进系统、深度控制器、大深度水下潜器浮力模型等五个部分：深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深传感器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号同步和融合，提取出潜器的深度信息，分别传送到深度控制器和浮力模型；浮力调节系统用于调节水下潜器的浮力，实现定深状态下的潜器的浮力和重力相等，保证潜器的高精度定深控制；推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舵组成，为自主式水下潜器提供前进和下潜的动力；深度控制器根据自主式水下潜器的中心控制器传送的深度控制指令，比较深度信息采集系统传送的深度信息，同时依据浮力模型计算出的潜器浮力信息进行综合计算和控制，将计算出的深度控制指令发送给浮力调节系统和自主式水下潜器的动力控制系统，实现深度控制；大深度水下潜器浮力模型依赖海洋的不同深度的盐度、压力、温度，根据实际经验数据建立潜器的浮力模型，为水下潜器的深度控制提供详尽的参数。本发明还提供快速、精确深度组合控制方法。
深度控制装置由潜器的水平主推进器、垂直推进器和水平翼、垂直舵、浮力调节系统组成。水下自主潜器的外形以流线型为主，在前进方向运动阻力很小，能够保证水平推进器以最大的效率前进，保证前进方向的阻力很小，而在其它方向如上浮、下潜的运动阻力较大，因此采用水平推进器和调节舵的组合能够保证潜器以最快速度上浮和下潜。由于潜器在垂直方向的运动阻力较大，单纯依赖垂直推进器潜器的下潜速度相对较慢。浮力调节系统则是通过调节潜器的浮力实现潜器的深度控制，因此采用该方式控制深度的速度最慢，但是其控制进度较高，特别在静止悬浮状态下，可无须动力实现深度伺服，用于潜器深度位置的微调和伺服控制。
深度控制的差值较大时，采用潜器下潜速度最快的方式，即水平推进器与调节舵进行组合的形式，快速控制潜器下潜。在该阶段采用最为简单的PID控制方式，在深度误差较大时，使得推进系统输出最大，以最快的速度向目标深度运动。
当潜器到达距离设定深度10米左右时，调整潜器姿态，控制潜器的俯仰角为零，然后控制垂直推进器，使潜器以中速下潜。该阶段采用滑模控制方式，接近目标深度。
当潜器距离目标深度1米范围时，关闭垂直推进器，通过浮力调节系统，使潜器慢慢接近目标深度，直到到达目标深度并伺服在该深度，该阶段采用模糊自适应控制方法，接近目标深度或伺服该深度。
浮力调节系统由油箱、动力泵、三个电磁阀、三个油囊组成。其中油箱、动力泵和上个电磁阀在密封舱中，三个油囊分别布置在潜器艏端、舯端和艉端。当潜器需要浮力调节系统提供浮力时，动力泵工作将油箱中的油传递到三个电磁阀端，深度控制系统打开电磁阀，将油充入到油囊中，油囊体积变大，进而增加潜器的浮力，当浮力达到要求，关闭电磁阀，同时关闭动力泵，潜器的浮力就维持在定值；当潜器需要浮力调节系统减少浮力时，打开电磁阀，动力泵工作，将油囊中的油传递到油箱中。无论在下潜还是上浮过程中，动力泵的速度可以控制，进而控制油囊中的油可控制性变化，避免快速变化带来的系统失速和失稳。
本发明适用于大深度、长航时的自主式水下潜器，分为深度数据采集系统、浮力调节系统、推进系统、深度控制器、大深度水下潜器浮力模型等五个部分：深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深传感器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号同步和融合，提取出潜器的深度信息，分别传送到深度控制器和浮力模型；浮力调节系统用于调节水下潜器的浮力，实现定深状态下的潜器的浮力和重力相等，保证潜器的高精度定深控制；推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舵组成，为自主式水下潜器提供前进和下潜的动力；深度控制器根据自主式水下潜器的中心控制器传送的深度控制指令，比较深度信息采集系统传送的深度信息，同时依据浮力模型计算出的潜器浮力信息进行综合计算和控制，将计算出的深度控制指令发送给浮力调节系统和自主式水下潜器的动力控制系统，实现深度控制；大深度水下潜器浮力模型依赖海洋的不同深度的盐度、压力、温度，根据实际经验数据建立潜器的浮力模型，为水下潜器的深度控制提供详尽的参数。本发明还提供快速、精确深度组合控制方法。
深度控制装置由潜器的推进器、调节舵、浮力调节系统组成。由于潜器的流线型主要保证前进方向的减少阻力，在其它方向运动阻力较大，因此水平推进器和调节舵的组合能够实现潜器的快速下潜，而仅依赖垂直推进器潜器的下潜速度相对慢一下。浮力调节系统则是通过调节潜器的浮力实现潜器的深度控制，因此采用该方式速度要更慢一下，但是其控制进度较高，特别在静止悬浮状态下，可无须动力实现深度伺服。
多尺度的控制方法根据当前潜器所在深度与目标深度之间的差值，在既保证控制的快速性和控制的稳定性，采用的分阶段的控制方法。深度控制的差值较大时，采用潜器下潜速度最快的方式，即水平推进器与调节舵进行组合的形式，快速控制潜器下潜。在该阶段采用最为简单的PID控制方式，在深度误差较大时，使得推进系统输出最大，以最快的速度向目标深度运动。当潜器到达距离设定深度10米左右时，调整潜器姿态，控制潜器的俯仰角为零，然后控制垂直推进器，使潜器以中速下潜。该阶段采用滑模控制方式，接近目标深度。当潜器距离目标深度1米范围时，关闭垂直推进器，通过浮力调节系统，使潜器慢慢接近目标深度，直到到达目标深度并伺服在该深度，该阶段采用模糊自适应控制方法，接近目标深度或伺服该深度。
浮力调节系统由油箱、动力泵、三个电磁阀、三个油囊组成。其中油箱、动力泵和上个电磁阀在密封舱中，三个油囊分别布置在潜器艏端、舯端和艉端。当潜器需要浮力调节系统提供浮力时，动力泵工作将油箱中的油传递到三个电磁阀端，深度控制系统打开电磁阀，将油充入到油囊中，油囊体积变大，进而增加潜器的浮力，当浮力达到要求，关闭电磁阀，同时关闭动力泵，潜器的浮力就维持在定值；当潜器需要浮力调节系统减少浮力时，打开电磁阀，动力泵工作，将油囊中的油传递到油箱中。无论在下潜还是上浮过程中，动力泵的速度可以控制，进而控制油囊中的油可控制性变化，避免快速变化带来的系统失速和失稳。
本发明采用浮力调节系统和推进器进行组合方式实现潜器深度控制。该装置根据不同的深度控制幅值，采用不同的深度控制组合方式，满足快速下潜，达到指定深度后，减少深度控制震荡，调整系统浮力和重量，提高系统稳定性，该深度控制装置和控制方法具有很强的实用性和通用性，适用于各种形式的水下潜器和水下装置。
实施1，结合附图1，本发明的实体由深度计A、高度计B、盐深传感器C、惯性系统D、信息采集系统E、深度控制器F、浮力调节系统系统G、推进系统H和中心控制器I组成。深度计A的输出接口1接至信息采集系统E的输入接口2，高度计B的输出接口3接至信息采集系统E的输入接口4，盐深传感器C的输出接口5接至信息采集系统E的输入接口6，惯性系统D的输出接口7接至信息采集系统E的输入接口8，信息采集系统E的输出接口9接至深度控制器F的输入接口10，深度控制器F的接口12接至中心控制器I的接口11，深度控制器F的输出接口13接至浮力调节系统系统G的输入接口14，深度控制器F的输出接口15接至推进系统H的输入接口16。
深度计A是一个大深度和高精度的深度传感器，跟随载体下潜，检测潜器下潜的深度数据，是潜器的深度精确检测传感器。
高度计B是一个以声学方式为检测手段的传感器，用于检测载体到海底的高度，避免潜器下潜过快撞到海底，为潜器的深度控制提供安全检测。
盐深传感器C是一种根据海水盐度来确定深度的传感器，该传感器对深度检测精度较低，可以与深度计A进行组合，实现深度粗精检测，对不同深度控制情况下采用不同的传感器进行检测。
惯性系统D是以三个光纤陀螺和三个加速度计组成惯性系统，用来检测载体的姿态，与深度信息组合可以矫正深度传感器输出的数据。
信息采集系统E用来对深度信息传感器传来的数据进行采集，数据处理和信息融合，为潜器提供准确的深度信息和姿态信息。
深度控制器F是一个高速度计算机系统，根据深度信息、姿态信息和中心控制器的深度控制信息进行比对和计算，得到合理的深度组合控制方式。
浮力调节系统系统G是一种根据油囊的体积变化改变系统浮力的装置，根据深度控制器的命令调节三个油囊的体积实现潜器的上浮和下潜，同时该浮力调节系统还能够调整潜器的俯仰角度，实现潜器在无动力条件下的姿态调整。
推进系统H是由潜器的水平主推进器、垂直推进器和水平翼和垂直舵组成，为潜器的前进、上浮下潜、姿态控制提供动力。
实施2，结合附图2，深度控制装置由潜器的水平主推进器、垂直推进器和水平翼、垂直舵、浮力调节系统组成。水下自主潜器的外形以流线型为主，在前进方向运动阻力很小，能够保证水平推进器以最大的效率前进，保证前进方向的阻力很小，而在其它方向如上浮、下潜的运动阻力较大，因此采用水平推进器和调节舵的组合能够保证潜器以最快速度上浮和下潜。由于潜器在垂直方向的运动阻力较大，单纯依赖垂直推进器潜器的下潜速度相对较慢。浮力调节系统则是通过调节潜器的浮力实现潜器的深度控制，因此采用该方式控制深度的速度最慢，但是其控制进度较高，特别在静止悬浮状态下，可无须动力实现深度伺服，用于潜器深度位置的微调和伺服控制。
实施3，结合附图3，多尺度的控制方法根据当前潜器所在深度与目标深度之间的差值，在既保证控制的快速性和控制的稳定性，采用的分阶段的控制装置和不同的控制方法。
结合附图4，快速下潜时采用PID控制器，其控制方程为：
式中：e为深度偏差，是当前深度与目标深度的偏差。
u为控制器输出，调节水平推进器速度和调节舵的角度。
Kp、Ki、Kd分别为比例项系数，积分项系数和微分项系数。
当到达距离目标深度10米范围后，采用滑模控制方式，其控制器控制律：
u＝uat-uf (2)
x1＝z (3)
x2＝w (4)
u＝τz (5)
L(x1,x2)＝a a＞0 (13)
N(x1,x2)＝ax2 (14)
当到达距离目标深度1米范围后，采用模糊自适应控制器，其模糊控制规则表如下：
实施4，结合附图5，浮力调节系统由油箱、动力泵、三个电磁阀、三个油囊组成。其中油箱、动力泵和上个电磁阀在密封舱中，三个油囊分别布置在潜器艏端、舯端和艉端。当潜器需要浮力调节系统提供浮力时，动力泵工作将油箱中的油传递到三个电磁阀端，深度控制系统打开电磁阀，将油充入到油囊中，油囊体积变大，进而增加潜器的浮力，当浮力达到要求，关闭电磁阀，同时关闭动力泵，潜器的浮力就维持在定值；当潜器需要浮力调节系统减少浮力时，打开电磁阀，动力泵工作，将油囊中的油传递到油箱中。无论在下潜还是上浮过程中，动力泵的速度可以控制，进而控制油囊中的油可控制性变化，避免快速变化带来的系统失速和失稳。
设浮力调节系统的平均密度为ρ，质量为m，体积为V0，假设浮力调节系统下潜或上浮时每个采样间隔前后的体积分别为V1和V2，对应浮力调节系统的平均密度分别为ρ1和ρ2则：
因为浮力调节系统下潜或上浮过程中总质量m为不变常量，由式(1)知，如果V2＞V1，则ρ2＜ρ1，即当浮力调节系统内油囊的油体经水泵抽吸进入外油囊时，浮力调节系统的总体积变大，系统将上浮。当电控控制阀打开，外油囊内的油体在外界水体压力的作用下将回流入内油囊，浮力调节系统总体积会变小，此时V2＜V1，则ρ2＞ρ1。
实施5，结合附图6，深度控制的差值较大时，采用潜器下潜速度最快的方式，即水平推进器与调节舵进行组合的形式，快速控制潜器下潜。在该阶段采用最为简单的PID控制方式，在深度误差较大时，使得推进系统输出最大，以最快的速度向目标深度运动。
当潜器到达距离设定深度10米左右时，调整潜器姿态，控制潜器的俯仰角为零，然后控制垂直推进器，使潜器以中速下潜。该阶段采用滑模控制方式，接近目标深度。
当潜器距离目标深度1米范围时，关闭垂直推进器，通过浮力调节系统，使潜器慢慢接近目标深度，直到到达目标深度并伺服在该深度，该阶段采用模糊自适应控制方法，接近目标深度或伺服该深度。

Claims (1)

1.一种自主式水下潜器的深度控制装置，由深度计(A)、高度计(B)、盐深传感器(C)、惯性系统(D)、信息采集系统(E)、深度控制器(F)、浮力调节系统系统(G)、推进系统(H)和中心控制器(I)组成，其特征是：深度计(A)的输出接口(1)接至信息采集系统(E)的第一输入接口(2)，高度计(B)的输出接口(3)接至信息采集系统(E)的第二输入接口(4)，盐深传感器(C)的输出接口(5)接至信息采集系统(E)的第三输入接口(6)，惯性系统(D)的输出接口(7)接至信息采集系统(E)的第四输入接口(8)，信息采集系统(E)的输出接口(9)接至深度控制器(F)的输入接口(10)，深度控制器(F)的接口(12)接至中心控制器(I)的接口(11)，深度控制器(F)的输出接口(13)接至浮力调节系统系统(G)的输入接口(14)，深度控制器(F)的输出接口(15)接至推进系统(H)的输入接口(16)；
深度计(A)是一个大深度和高精度的深度传感器，跟随载体下潜，检测潜器下潜的深度数据；
高度计(B)是一个以声学方式为检测手段的传感器，用于检测载体到海底的高度，避免潜器下潜过快撞到海底，为潜器的深度控制提供安全检测；
盐深传感器(C)是一种根据海水盐度来确定深度的传感器，与深度计(A)进行组合，实现深度粗精检测，对不同深度控制情况下采用不同的传感器进行检测；
惯性系统(D)是以三个光纤陀螺和三个加速度计组成惯性系统，用来检测载体的姿态，与深度信息组合矫正深度传感器输出的数据；
信息采集系统(E)用来对深度信息传感器传来的数据进行采集，数据处理和信息融合，为潜器提供准确的深度信息和姿态信息；
深度控制器(F)是一个高速度计算机系统，根据深度信息、姿态信息和中心控制器的深度控制信息进行比对和计算，得到合理的深度组合控制方式；所述合理的深度组合控制方式具体包括：深度控制的差值较大时，采用水平推进器与调节舵进行组合的形式，在该阶段采用PID控制方式以最快的速度向目标深度运动；当潜器到达距离设定深度10米后，调整潜器姿态，控制潜器的俯仰角为零，然后控制垂直推进器使潜器以中速下潜，该阶段采用滑模控制方式接近目标深度；当潜器距离目标深度1米范围时，关闭垂直推进器，通过浮力调节系统使潜器慢慢接近目标深度，直到到达目标深度并伺服在该深度，该阶段采用模糊自适应控制方法接近目标深度或伺服该深度；
浮力调节系统系统(G)是一种根据油囊的体积变化改变系统浮力的装置，根据深度控制器的命令调节三个油囊的体积实现潜器的上浮和下潜，同时该浮力调节系统还能够调整潜器的俯仰角度，实现潜器在无动力条件下的姿态调整；
推进系统(H)是由潜器的水平主推进器、垂直推进器和水平翼和垂直舵组成，为潜器的前进、上浮下潜、姿态控制提供动力。
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