CN106542071A - 用于长航程auv的浮力及姿态均衡装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置及控制方法。包括浮力均衡装置、浮力均衡控制器、垂直面运动控制器、姿态传感器和深度感器，姿态传感器检测AUV在水下航行时的姿态，深度传感器检测AUV在水下航行时的深度，垂直面运动控制器控制AUV在垂直面定深运动，浮力均衡控制器控制浮力均衡装置中油泵向油囊泵油或吸油的速率；浮力均衡装置调节AUV在水下航行时浮力及纵倾姿态；浮力均衡装置由耐压油箱和两个油囊组成，耐压油箱在AUV重心，两个油囊分别在AUV的艏艉。本发明可有效调节AUV水中的浮重力均衡并消除AUV的纵倾角偏差，从而减小AUV定深航行时所受的阻力，在携带同等能源条件下增加AUV航程。

Description

用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置及控制方法
技术领域
本发明涉及自主水下航行器垂直面运动控制和浮力均衡控制装置及方法。
背景技术
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle简称AUV)作为人类在海洋活动，特别是深海活动中的重要替代者和执行者，已经被广泛应用于科学考察、海洋作业、打捞救生等领域，其应用前景非常广泛。根据海洋资源开发的需要，海洋利用不断向深海、远海扩展；AUV则是不断向着多任务、自主化发展。而像多任务的AUV在进行远距离航行时，海洋温度、海水密度、AUV本体的动力学系统均可能发生变化，导致AUV的浮力发生变化造成浮重力不均衡现象。
AUV在水下航行受到剩余浮力的影响时，会导致AUV在水下定深航行时有一定的纵倾角，来克服所受的剩余浮力的影响，此现象导致AUV航行阻力增大，增加能耗，减小AUV的航程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能使AUV在水下航行时所受的阻力减小，节约能量，增加AUV在水下定深航行航程的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置。本发明的目的还在于提供一种用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法
本发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置包括浮力均衡装置、浮力均衡控制器、垂直面运动控制器、姿态传感器和深度感器，姿态传感器检测AUV在水下航行时的姿态，深度传感器检测AUV在水下航行时的深度，垂直面运动控制器用于控制AUV在垂直面定深运动，浮力均衡控制器用于控制浮力均衡装置中油泵向油囊泵油或吸油的速率；浮力均衡装置用于调节AUV在水下航行时浮力及纵倾姿态；所述浮力均衡装置为液压控制系统，由一个耐压油箱和两个油囊组成，耐压油箱布置在AUV重心，两个油囊分别布置在AUV的艏艉。前油囊与AUV重心的距离为L1，后油囊与AUV重心的距离为L2,当AUV已达到均衡的状态后，再次改变AUV的航行深度时，AUV前后油囊浮力的调节需要符合等式才能使AUV的纵倾姿态继续保持平衡，ΔB1、ΔB2分别为前后油囊的浮力变化量。
本发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法包括：
垂直面定深航行采用基于PD控制策略的AUV欠驱动定深航行控制的双闭环控制，内环控制纵倾，外环控制深度，所述双闭环控制中深度控制和纵倾控制均采用PD控制策略，通过深度控制计算产生一个期望纵倾角该期望纵倾角作为纵倾控制的输入，基于纵倾角偏差纵倾控制产生一个期望升降舵角δs，通过控制升降舵驱动AUV在指令深度作定深航行；
当AUV重力和浮力大小相等且重心和浮心在同一铅垂线上时，AUV处于浮重力均衡状态，AUV定深航行时升降舵舵角为零，AUV纵倾角也为零；
当AUV的浮力大于重力时，控制升降舵舵角为正，AUV纵倾角为负，由升降舵和AUV艇体产生向下的升力克服剩余浮力，实现AUV的定深航行；
当AUV的浮力小于重力时，控制升降舵角为负，AUV纵倾角为正，由升降舵和AUV艇体产生向上的升力克服重力作用，实现AUV的定深航行。
本发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法还可以包括：
由AUV定深航行时纵倾角的偏差作为浮力均衡控制器输入，控制浮力均衡装置油泵向前后油囊充油或吸油的速率，AUV在水下定深航行时，满足CLsplaneδs+ΔB＝CLbodyθ；CLbody为AUV的船体升力系数，CLsplane为AUV的艉水平舵升力系数，δs为AUV的艉水平舵舵角，θ为AUV的纵倾角，ΔB为AUV的剩余浮力；当纵倾角θ＜0、升降舵舵角δs＞0且满足时，其中为艉水平舵产生的垂直面力矩系数，Mθ为船体产生的垂直面力矩系数，xΔB为重心(即运动坐标系原点)到剩余浮力在运动坐标系z轴方向分力的垂直距离，此时AUV的浮心位于重心后面，浮力大于重力，油泵工作将液压油从后油囊吸到油箱；当纵倾角θ＜0、升降舵舵角δs＞0且满足时，此时AUV的浮心位于重心前面，浮力大于重力，油泵工作将液压油从前油囊吸到油箱；当纵倾角θ＞0、升降舵舵角δs＜0且满足时，此时AUV的浮心位于重心后面，浮力小于重力，油泵工作向后油囊充油；当纵倾角θ＞0、升降舵舵角δs＜0且满足时，此时AUV的浮心位于重心前面，浮力小于重力，油泵工作向前油囊充油；当纵倾角θ＝0且升降舵舵角δs＝0，此时油泵停止向油囊中充油或吸油，AUV的浮重力是均衡的。
为了使AUV在水下航行时所受的阻力最小化，节约能量，增加AUV在水下定深航行的航程。本发明提供了一种用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置及控制方法。本发明可有效调节AUV水中的浮重力均衡并消除AUV的纵倾角偏差，从而减小AUV定深航行时所受的阻力，在携带同等能源条件下增加AUV航程。
本发明的有益效果：
本发明用于长航程AUV定深航行时，航行器的浮力及姿态的调节方法。通过基于PD式的垂直面运动控制器使AUV在指定深度处进行航行，只需基于AUV定深航行时航行器的纵倾姿态就可对航行器进行浮力及姿态进行调节，使纵倾角为零，升降舵角为零，浮力达到均衡状态。该方法可减小AUV定深航行时所受的阻力，节约能耗，增加AUV的航程。本发明的优点在于只需通过AUV的航行姿态就可进行AUV的均衡控制，减少了传感器的数量，减小了系统的复杂性，此方法实现AUV在水下定深航行时受到剩余浮力影响下所增加的阻力问题，减小AUV水下定深航行时所受的阻力，节约能耗，增加AUV的航程，使AUV达到长航程。
附图说明
图1是本发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置组成示意图；
图2是本发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法框图；
图3是本发明的浮力均衡装置系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明的发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置的组成包括定深控制系统A和均衡控制系统B。具体组成包括控制计算机、垂直面运动控制器2、姿态传感器3、深度传感器4、浮力均衡控制器6、浮力均衡装置7、前油囊5、后油囊8以及升降舵1。
姿态传感器是检测AUV在水下航行时的姿态；
深度传感器是检测AUV在水下航行时的深度；
垂直面运动控制器是用于控制AUV在垂直面定深运动的控制器；
均衡控制器是用于控制均衡装置中油泵向油囊泵油或吸油的速率；
均衡装置是用于调节AUV在水下航行时浮力及纵倾姿态的装置，该均衡装置由油箱、油囊和油泵三部分组成。
结合图2，本发明的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法包括垂直面运动控制和系统和浮力均衡控制系统。
在AUV控制系统中，垂直面定深航行的控制是基于PD控制策略的AUV欠驱动定深航行控制，采用双闭环控制方法，内环实现纵倾控制，外环实现深度控制，在双闭环控制方法中，深度控制器和纵倾控制器均采用PD控制策略。深度误差通过深度控制器计算产生一个期望纵倾角该期望纵倾角作为纵倾控制器的输入，基于纵倾角偏差纵倾控制器产生一个期望升降舵角δs，通过控制升降舵驱动AUV在指令深度作定深航行，
当AUV重力和浮力大小相等且重心和浮心在同一铅垂线上，此时AUV处于浮重力均衡状态，AUV定深航行时升降舵舵角为零，纵倾角也为零；
当AUV的浮力大于重力时，控制升降舵舵角为正，AUV纵倾角为负，由升降舵和AUV艇体产生向下的升力克服剩余浮力，实现AUV的定深航行；
当AUV的浮力小于重力时，控制升降舵角为负，AUV纵倾角为正，由升降舵和AUV艇体产生向上的升力克服重力作用，实现AUV的定深航行；
在AUV控制系统中，基于AUV定深航行的情况下，对浮力均衡装置进行控制，调节纵倾角，使AUV的纵倾角为零，当纵倾角为零时，舵角也为零，此时浮力均衡调节完成，基于航行姿态，利用浮力均衡装置对AUV的纵倾及浮力状态进行控制，由AUV定深航行时纵倾角的偏差作为浮力均衡控制器输入，控制浮力均衡装置油泵向油囊充油或吸油的速率，通过AUV定深航行时的升降舵角、姿态传感器测得AUV定深航行时的纵倾角和船体升力与船艉升降舵升力之间的关系来决策浮力均衡装置是向前后油囊充还是吸油。
结合图3进行浮力均衡系统的调节，浮力均衡装置中油泵向油囊泵油还是吸油的决策为：
当纵倾角θ＜0、升降舵舵角δs＞0且满足时，其中为艉水平舵产生的垂直面力矩系数，Mθ为船体产生的垂直面力矩系数，xΔB为重心(即运动坐标系原点)到剩余浮力在运动坐标系z轴方向分力的垂直距离此时AUV的浮心位于重心后面时，浮力大于重力，油泵工作将液压油从后油囊2吸到油箱，具体流程为：后油囊2中的液压油经过阀6被吸回到油箱中；
当纵倾角θ＜0、升降舵舵角δs＞0且满足时，此时AUV的浮心位于重心前面时，浮力大于重力，油泵工作将液压油从前油囊1吸到油箱，具体流程为：前油囊1中的液压油依次经过阀2、油泵、阀4被吸回到油箱中；
当纵倾角θ＞0、升降舵舵角δs＜0且满足时，此时AUV的浮心位于重心后面时，浮力小于重力，油泵工作向后油囊2充油，具体流程为：油箱中的液压油依次经过阀1、油泵、阀5被充到后油囊2中；
当纵倾角θ＞0、升降舵舵角δs＜0且满足时，此时AUV的浮心位于重心前面时，浮力小于重力，油泵工作向前油囊1充油，具体流程为：油箱中的液压油依次经过阀1、油泵、阀3被充到前油囊1中；
当纵倾角θ＝0且升降舵舵角δs＝0，此时AUV的浮力等于重力，油泵停止向油囊中充油或吸油，AUV的浮力状态为均衡状态，AUV将保持此状态进行定深航行。

Claims (4)

1.一种用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置，其特征是：包括浮力均衡装置、浮力均衡控制器、垂直面运动控制器、姿态传感器和深度感器，姿态传感器检测AUV在水下航行时的姿态，深度传感器检测AUV在水下航行时的深度，垂直面运动控制器用于控制AUV在垂直面定深运动，浮力均衡控制器用于控制浮力均衡装置中油泵向油囊泵油或吸油的速率；浮力均衡装置用于调节AUV在水下航行时浮力及纵倾姿态；所述浮力均衡装置为液压控制系统，由一个耐压油箱和两个油囊组成，耐压油箱布置在AUV重心，两个油囊分别布置在AUV的艏艉。
2.根据权利要求1所述的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡装置，其特征是：前油囊与AUV重心的距离为L1，后油囊与AUV重心的距离为L2，当AUV已达到均衡的状态后，再次改变AUV的航行深度时，AUV前后油囊浮力的调节需要符合等式ΔB1、ΔB2分别为前后油囊的浮力变化量。
3.一种用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法，其特征是：垂直面定深航行采用基于PD控制策略的AUV欠驱动定深航行控制的双闭环控制，内环控制纵倾，外环控制深度，所述双闭环控制中深度控制和纵倾控制均采用PD控制策略，通过深度控制计算产生一个期望纵倾角该期望纵倾角作为纵倾控制的输入，基于纵倾角偏差纵倾控制产生一个期望升降舵角δs，通过控制升降舵驱动AUV在指令深度作定深航行；
当AUV重力和浮力大小相等且重心和浮心在同一铅垂线上时，AUV处于浮重力均衡状态，AUV定深航行时升降舵舵角为零，AUV纵倾角也为零；
当AUV的浮力大于重力时，控制升降舵舵角为正，AUV纵倾角为负，由升降舵和AUV艇体产生向下的升力克服剩余浮力，实现AUV的定深航行；
当AUV的浮力小于重力时，控制升降舵角为负，AUV纵倾角为正，由升降舵和AUV艇体产生向上的升力克服重力作用，实现AUV的定深航行。
4.根据权利要求3所述的用于长航程AUV的浮力及姿态均衡控制方法，其特征是：由AUV定深航行时纵倾角的偏差作为浮力均衡控制器输入，控制浮力均衡装置油泵向前后油囊充油或吸油的速率，AUV在水下定深航行时，满足CLsplaneδs+ΔB＝CLbodyθ；CLbody为AUV船体升力系数，CLsplane为AUV艉水平舵升力系数，δs为AUV的艉水平舵舵角，θ为AUV的纵倾角，ΔB为AUV所受的剩余浮力；当纵倾角θ＜0、升降舵舵角δs＞0且满足时，其中为艉水平舵产生的垂直面力矩系数，Mθ为船体产生的垂直面力矩系数，xΔB为重心到剩余浮力在运动坐标系z轴方向分力的垂直距离，此时AUV的浮心位于重心后面时，浮力大于重力，油泵工作将液压油从后油囊吸到油箱；当纵倾角θ＜0、升降舵舵角δs＞0且满足时，此时AUV的浮心位于重心前面时，浮力大于重力，油泵工作将液压油从前油囊吸到油箱；当纵倾角θ＞0、升降舵舵角δs＜0且满足时，此时AUV的浮心位于重心后面时，浮力小于重力，油泵工作向后油囊充油；当纵倾角θ＞0、升降舵舵角δs＜0且满足时，此时AUV的浮心位于重心前面时，浮力小于重力，油泵工作向前油囊充油；当纵倾角θ＝0且升降舵舵角δs＝0，此时油泵停止向油囊中充油或吸油，AUV的浮重力是均衡的。
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