CN106843241A - 基于辅助推进器的uuv水下定点回转探测方法及控制系统 - Google Patents

基于辅助推进器的uuv水下定点回转探测方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法及控制系统。UUV自主航行至待探测水域上方就位，开启垂直辅助推进器做定点下潜；实时监测UUV高度，若没有触底危险则继续下潜至指定深度，调用定点悬停算法进行定点悬停，若有触底危险则停止下潜直接定点悬停；开启前视声纳，采集前方可测范围内的环境信息；下达定点回转指令，通过定点回转算法对艏、艉水平辅助推进器进行推力分配，使UUV以转艏角速度做匀速定点回转，直到完成回转次数；完成探测任务，准备执行下一任务。本发明避免了传统巡游方式探测地形的局限，并解决了利用主推进器驱动无法实现定点的问题，实现了UUV高效、隐蔽、无死区的地形探测。

Description

基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法及控制系统
技术领域
本发明涉及的是一种UUV水下定点探测方法，具体地说是一种在未知海域定点观测、自动完成无死区探测的方法。本发明也涉及一种UUV水下定点探测方法的控制系统。
背景技术
水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)在执行近海岸勘测、地形勘测任务时，经常需要快速高效地获取全方位的环境信息。由于UUV所搭载传感器的探测范围有限以及传感器自身的盲区，采用比较多的环境探测方式是利用主推进器与方向舵的耦合控制的传统巡游方式，但这种巡游方式探测环境具有以下局限和困难：
1、UUV在巡游时转弯会存在一个回转半径，需要足够的空间才能完成正常的转弯运动，当UUV处于狭窄的半封闭U型海域时则无法正常转弯；
2、目前UUV搭载的声纳数目以及声纳探测范围均有限，增大了UUV获取全方位地形信息的难度；
3、利用主推进器驱动的方式不能实现定点回转，且当航速不满足条件时，无法采用方向舵控制转弯执行任务；
4、利用主推进器驱动的方式不能实现定点下潜；
5、主推进器工作时的噪声相比辅助推进器较高，会在一定程度上降低UUV航行时的隐蔽性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现UUV高效、自动、无死区地形探测的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法。本发明的目的还在于提供一种基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法的控制系统。
本发明的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法包括如下步骤：
步骤一：任务控制计算机根据当前任务下达指令，使UUV自主航行到待探测水域上方就位；
步骤二：运动控制计算机响应任务计算机产生的指令，调用定点下潜算法控制艏、艉垂直辅助推进器，艏、艉水平辅助推进器做定点下潜；
步骤三：实时监测UUV高度h，若h＞h0，则继续完成下潜至指定深度dc；若h＜h0，则转入步骤四，其中h0为触底监测保护高度；
步骤四：UUV定点悬停，任务计算机下达指令开启前视声纳，完成初始化，开始获取UUV前方可测范围内的环境信息，下达定点回转指令；
步骤五：运动控制计算机响应定点回转指令，通过推力分配算法控制艏、艉水平辅助推进器，使UUV在水平面以转艏角速度ω0做匀速定点回转；
步骤六：通过组合导航系统实时测量UUV的位置和姿态信息，回送给任务控制计算机，对测量偏差进行补偿，得到实际的位置和姿态信息，自主监测UUV回转次数，若回转次数为正整数N，则完成探测任务，任务控制计算机下达探测结束指令；
步骤七：准备执行下一任务。
本发明的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法还可以包括：
1、触底监测保护高度h0由任务控制计算机内算法解算求得。
2、当转艏角Δψ＝360°时即为完成一次回转，回转周期T＝2π/ω0。
本发明的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法的控制系统包括深度计、前视声纳、任务控制计算机、运动控制计算机、组合导航系统、深度控制通道、位置控制通道、回转控制通道、主推进器和辅助推进器；
所述的深度计实时测量出UUV当前的下潜深度dR，传送给运动控制计算机进行解算；
所述的前视声纳负责收集水平开角内环境的各项信息，将环境信息传送给任务控制计算机；
所述的任务控制计算机主要包括几个判断输出指令：其一，UUV是否到达指定下潜深度dC，若是输出悬停指令执行探测任务；其二，实时监测UUV的高度h，进行触底保护；其三，判断UUV回转次数是否为正整数N，若是输出探测结束指令；
所述的运动控制计算机接受任务控制计算机的指令，对UUV辅助推进器和主推进器进行控制，控制执行机构完成UUV的定点下潜、悬停以及回转运动；
所述的组合导航系统包括惯性导航仪和多普勒计程仪，多普勒计程仪由UUV的状态变化得到一个位姿信息，并传送给惯性导航仪进行综合分析，得到UUV水下位置、航向和转艏角速度信息，并输出给运动控制计算机，多普勒计程仪还实时监测UUV距离水底的高度，输送给任务控制计算机，为触底监测保护提供高度信息；
所述的深度控制通道根据比较期望的深度指令dC和实时测量的深度dR产生一个深度偏差，通过定点下潜算法得到深度控制量并将其发送给UUV垂直辅助推进器，控制螺旋桨转动产生推力；
所述的位置控制通道利用组合导航系统反馈UUV的位置和姿态信息，通过定点控制算法和回转控制算法产生控制量并发送给运动控制计算机，再由推力分配算法控制辅助推进器和主推进器完成定点控制和回转控制；
所述的回转控制通道通过回转控制算法进行推力分配得到回转控制量并将其发送给UUV的水平辅助推进器，控制螺旋浆转动产生推力；
所述的主推进器响应任务控制计算机指令和舵机配合驱动UUV到待探测水域就位；
所述的辅助推进器包括水平辅助推进器和垂直辅助推进器，艏、艉水平辅助推进器是UUV配合声纳完成周围环境探测的执行机构，其在UUV上的安装方向一致，当进行回转运动时，运动控制计算机会根据任务要求分别输出正反不同的旋转方向指令给艏水平辅助推进器和艉水平辅助推进器，并且其输出的速度大小会使UUV的转艏角速度保持在ω0rad/s，艏、艉垂直辅助推进器作为定点下潜和悬停的执行机构。
本发明的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法的控制系统还可以包括：
1、前视声纳安装于UUV艇艏位置；组合导航系统安装于UUV的腹部；前视声纳波束中心在纵中剖面，水平面的探测开角为90度，垂直面的探测开角为6度。
2、艏、艉水平辅助推进器对称安装，驱动的推力相同。
本发明面向UUV执行定点观测、自动完成无死区探测的任务需求，为实现UUV在转弯空间不足、定点定深、高隐蔽性情况下的无死区探测，设计了一种基于辅助推进器的定点回转探测方法及控制系统。
本发明所涉及的一种基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法，用于UUV在执行定点观测、自动探测任务时，提前建立航行器的任务模块，利用测量单元反馈的信息，选择适当的时机和阈值切换辅助推进器，完成定点回转全方位探测的控制方法。该方法增加了UUV的智能性，配合前视声纳的探测，通过定点回转，完成对周围360°范围的全面探测，有效的克服前视声纳水平探测范围有限的缺陷；同时避免了传统巡游探测方式的诸多不足，在不增加其他设备的情况下，充分利用了现有的资源，灵活快捷，可重复性高，可靠性强；另外，主推进器螺旋桨的设计工作点在巡航速度，而辅助推进器螺旋桨的设计工作点在零航速，利用主推进器驱动无法实现定点下潜和定点回转，该方法解决了上述问题。该方法可使UUV高效、隐蔽的完成对地形等信息无死区的探测，使UUV的自主能力得到了很大的提高。
附图说明
图1是本发明方法的控制系统结构框图；
图2是本发明方法的流程图；
图3是本发明方法的各主要硬件部分在UUV上的安装方案俯视示意图；
图4是本发明方法的前视声纳在UUV上的安装方案侧视示意图；
图5是本发明方法的实施演示图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明方法的控制系统结构包括以下几个部分：深度计、前视声纳、任务控制计算机(Mission Control Computer，MICC)、运动控制计算机(Motion ControlComputer，MOCC)、组合导航系统(INS&DVL)、深度控制通道、位置控制通道、回转控制通道、主推进器、辅助推进器：
所述的深度计可以实时测量出UUV当前的下潜深度dR，传送给运动控制计算机进行解算；
所述的前视声纳是本探测方法的主要探测设备，它负责收集水平开角内环境的各项信息，将环境信息传送给任务控制计算机；
所述的任务控制计算机是本方法控制系统的核心，主要包括几个判断输出指令：其一，航行器是否到达指定下潜深度dC，若是输出悬停指令执行探测任务；其二，实时监测UUV的高度h，进行触底保护；其三，判断UUV回转次数是否为正整数N，若是输出探测结束指令。
所述的运动控制计算机是本方法执行控制的核心，它接受任务控制计算机的指令，对UUV辅助推进器和主推进器进行控制，控制执行机构完成UUV的定点下潜、悬停以及回转运动；
所述的组合导航系统包括惯性导航仪(Inertial Navigation System,INS)和多普勒计程仪(Doppler Velocity Log,DVL)，多普勒计程仪可以由UUV的状态变化得到一个位姿信息，并传送给惯性导航仪进行综合分析，得到准备可靠的UUV水下位置、航向和转艏角速度信息，并输出给运动控制计算机，多普勒计程仪还实时监测UUV距离水底的高度，输送给任务控制计算机，为触底监测保护提供高度信息；
所述的深度控制通道根据比较期望的深度指令dC和实时测量的深度dR产生一个深度偏差，通过定点下潜算法得到深度控制量并将其发送给UUV垂直辅助推进器，控制螺旋桨转动产生推力；
所述的位置控制通道利用组合导航系统反馈UUV的位置和姿态信息，通过定点控制算法和回转控制算法产生控制量并发送给运动控制计算机，再由推力分配算法控制辅助推进器和主推进器完成定点控制和回转控制；
所述的回转控制通道通过回转控制算法进行推力分配得到回转控制量并将其发送给UUV的水平辅助推进器，控制螺旋浆转动产生推力；
所述的主推进器响应任务控制计算机指令和舵机配合驱动UUV到待探测水域就位；
所述的辅助推进器包括水平辅助推进器和垂直辅助推进器，艏、艉水平辅助推进器是UUV配合声纳完成周围环境探测的执行机构，其在UUV上的安装方向一致，当进行回转运动时，运动控制计算机会根据任务要求分别输出正反不同的旋转方向指令给艏水平辅助推进器和艉水平辅助推进器，并且其输出的速度大小会使UUV的转艏角速度保持在ω0rad/s，艏、艉垂直辅助推进器作为定点下潜和悬停的执行机构。
结合图2，本发明方法的实施步骤流程图可以表述为：
步骤1：任务控制计算机根据当前任务，使UUV自主航行到待探测水域上方就位；
步骤2：运动控制计算机响应任务计算机产生的指令，调用定点下潜算法控制艏、艉垂直辅助推进器，艏、艉水平辅助推进器做定点下潜；
步骤3：实时监测UUV高度h，若h＞h0，则继续完成下潜至指定深度dc；若h＜h0，则转入步骤4；
步骤4：UUV定点悬停，任务计算机下达指令开启前视声纳，完成初始化，开始获取UUV前方可测范围内的环境信息，下达定点回转指令；
步骤5：运动控制计算机响应定点回转指令，通过推力分配算法控制艏、艉水平辅助推进器，使UUV在水平面以转艏角速度ω0做匀速定点回转；
步骤6：通过组合导航系统实时测量UUV的位置和姿态信息，回送给任务控制计算机，对测量偏差进行补偿，得到实际的位姿信息，自主监测UUV回转次数，若回转次数为正整数N，则完成探测任务，任务控制计算机下达探测结束指令；
步骤7：准备执行下一任务。
图3是本发明各主要硬件部分在UUV上的安装方案俯视示意图，1-前视声纳；2-任务控制计算机&运动控制计算机；3-组合导航系统(INS&DVL)；4-艏垂直辅助推进器；5-艉垂直辅助推进器；6-右主推进器；7-左主推进器；8-水平舵；9-垂直舵。
其中前视声纳1波束中心在纵中剖面，水平面的探测开角为90度,垂直面的探测开角为6度，能够探测UUV前方环境信息。
图4是本发明前视声纳在UUV上的安装方案侧视示意图，1-前视声纳；2-艏水平辅助推进器；3-艉水平辅助推进器；4-水平舵；5-垂直舵；6-任务控制计算机&运动控制计算机；7-组合导航系统(INS&DVL)。
图5是本发明方法的实施演示图，对一种基于辅助推进器的UUV水下原地回转探测方法做更详细具体的描述：
某UUV接到去探测某U型海岸环境信息的任务。UUV的任务控制计算机根据当前任务，UUV自主航行到待探测水域上方就位，通过运动控制计算机控制主推进器和辅助推进器进行定位并下潜至指定深度dC，下潜过程中通过DVL反馈的高度信息进行触底监测保护，此时UUV为A状态；任务计算机下达指令开启前视声纳，完成初始化，开始获取UUV前方可测范围内的环境信息，下达定点回转指令；运动控制计算机下达指令分别以正转、反转启动艏、艉水平辅助推进器，根据回转算法进行推力分配，使UUV在水平面以转艏角速度ω0匀速定点逆时针回转，回转后UUV到达如图所示的B状态，根据组合导航系统将UUV的姿态信息反馈给任务控制计算机，并对测量偏差进行补偿，得到准确可信的姿态信息，自主监测UUV回转次数为正整数N时，则完成探测任务，运动控制计算机下达探测结束指令，完成一次探测任务。

Claims (6)

1.一种基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法，其特征是：
步骤一：任务控制计算机根据当前任务下达指令，使UUV自主航行到待探测水域上方就位；
步骤二：运动控制计算机响应任务计算机产生的指令，调用定点下潜算法控制艏、艉垂直辅助推进器，艏、艉水平辅助推进器做定点下潜；
步骤三：实时监测UUV高度h，若h＞h0，则继续完成下潜至指定深度dc；若h＜h0，则转入步骤四，其中h0为触底监测保护高度；
步骤四：UUV定点悬停，任务计算机下达指令开启前视声纳，完成初始化，开始获取UUV前方可测范围内的环境信息，下达定点回转指令；
步骤五：运动控制计算机响应定点回转指令，通过推力分配算法控制艏、艉水平辅助推进器，使UUV在水平面以转艏角速度ω0做匀速定点回转；
步骤六：通过组合导航系统实时测量UUV的位置和姿态信息，回送给任务控制计算机，对测量偏差进行补偿，得到实际的位置和姿态信息，自主监测UUV回转次数，若回转次数为正整数N，则完成探测任务，任务控制计算机下达探测结束指令；
步骤七：准备执行下一任务。
2.根据权利要求1所述的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法，其特征是：触底监测保护高度h0由任务控制计算机内算法解算求得。
3.根据权利要求1或2所述的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法，其特征是：当转艏角Δψ＝360°时即为完成一次回转，回转周期T＝2π/ω0。
4.一种权利要求1所述的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法的控制系统，包括深度计、前视声纳、任务控制计算机、运动控制计算机、组合导航系统、深度控制通道、位置控制通道、回转控制通道、主推进器和辅助推进器，其特征是：
所述的深度计实时测量出UUV当前的下潜深度dR，传送给运动控制计算机进行解算；
所述的前视声纳负责收集水平开角内环境的各项信息，将环境信息传送给任务控制计算机；
所述的任务控制计算机主要包括几个判断输出指令：其一，UUV是否到达指定下潜深度dC，若是输出悬停指令执行探测任务；其二，实时监测UUV的高度h，进行触底保护；其三，判断UUV回转次数是否为正整数N，若是输出探测结束指令；
所述的运动控制计算机接受任务控制计算机的指令，对UUV辅助推进器和主推进器进行控制，控制执行机构完成UUV的定点下潜、悬停以及回转运动；
所述的组合导航系统包括惯性导航仪和多普勒计程仪，多普勒计程仪由UUV的状态变化得到一个位姿信息，并传送给惯性导航仪进行综合分析，得到UUV水下位置、航向和转艏角速度信息，并输出给运动控制计算机，多普勒计程仪还实时监测UUV距离水底的高度，输送给任务控制计算机，为触底监测保护提供高度信息；
所述的深度控制通道根据比较期望的深度指令dC和实时测量的深度dR产生一个深度偏差，通过定点下潜算法得到深度控制量并将其发送给UUV垂直辅助推进器，控制螺旋桨转动产生推力；
所述的位置控制通道利用组合导航系统反馈UUV的位置和姿态信息，通过定点控制算法和回转控制算法产生控制量并发送给运动控制计算机，再由推力分配算法控制辅助推进器和主推进器完成定点控制和回转控制；
所述的回转控制通道通过回转控制算法进行推力分配得到回转控制量并将其发送给UUV的水平辅助推进器，控制螺旋浆转动产生推力；
所述的主推进器响应任务控制计算机指令和舵机配合驱动UUV到待探测水域就位；
所述的辅助推进器包括水平辅助推进器和垂直辅助推进器，艏、艉水平辅助推进器是UUV配合声纳完成周围环境探测的执行机构，其在UUV上的安装方向一致，当进行回转运动时，运动控制计算机会根据任务要求分别输出正反不同的旋转方向指令给艏水平辅助推进器和艉水平辅助推进器，并且其输出的速度大小会使UUV的转艏角速度保持在ω0rad/s，艏、艉垂直辅助推进器作为定点下潜和悬停的执行机构。
5.根据权利要求4所述的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法的控制系统，其特征是：前视声纳安装于UUV艇艏位置；组合导航系统安装于UUV的腹部；前视声纳波束中心在纵中剖面，水平面的探测开角为90度，垂直面的探测开角为6度。
6.根据权利要求4或5所述的基于辅助推进器的UUV水下定点回转探测方法的控制系统，其特征是：艏、艉水平辅助推进器对称安装，驱动的推力相同。
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