CN109240324A - 一种浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角控制方法，根据预设俯仰角θ_r与水下滑翔机实际俯仰角θ之间偏差，设计PID控制器，得出俯仰角误差反馈下的r_i。同时，加上稳态俯仰角下的滑块位置r_c，再加上基于实时的浮力反馈k_bm_b，得出修正后的控制输入r_ic，将其作用于水下滑翔机，实现对水下滑翔机的控制。通过与无浮力反馈下的俯仰角控制对比仿真，验证了本发明所提算法的有效性。

Description

一种浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器控制领域，具体涉及一种浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角控制方法。

背景技术

无人潜水器在可广泛用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘测，沉物打捞，地震地热活动监测，海洋环境监测，海洋工程维护等。

水下滑翔机是一种新型的水下机器人，是典型的海洋探测平台。由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。虽然水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围海洋探索的需要。

水下滑翔机通常通过浮力驱动来控制净浮力，通过内部滑块前后移动控制俯仰角，同时，通过尾舵或者内部滑块侧移完成转向控制。水下滑翔机是一个强耦合、非线性的欠驱动复杂系统，良好的控制系统是保证稳定航行的前提条件。因此，研究水下滑翔机的俯仰控制策略具有非常重要的现实意义。

但在实际工程验证过程中，申请人发现水下滑翔机的俯仰角控制还存在以下两个新问题：1、由于变浮力调节机构制作误差等原因，其会导致额外俯仰力矩干扰，不利于俯仰角控制；2、变浮力响应速率远低于滑块响应速率，在浮力切换瞬间，两者响应速率的不协调会导致较大的初始俯仰角误差。

发明内容

本发明针对浮力变化会影响俯仰角且浮力响应慢等问题，提出了基于浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角PID控制方法。

本发明中控制策略是根据预设俯仰角θ_r与水下滑翔机实际俯仰角θ之间偏差，设计PID控制器，得出俯仰角误差反馈下的r_i。同时，加上稳态俯仰角下的滑块位置r_c，再加上基于实时的浮力反馈k_bm_b，得出修正后的控制输入r_ic，将其作用于水下滑翔机，实现对水下滑翔机的控制。通过与无浮力反馈下的俯仰角控制对比仿真，验证了本发明所提算法的有效性。

本发明的技术方案为：

所述一种浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：水下滑翔机在开始滑翔前，根据实际需求预置滑翔指令参数x_r＝(θ_r,v_r)^T，其中θ_r为期望滑翔俯仰角，v_r为期望的滑翔速度；

步骤2：将给定的滑翔指令x_r＝(θ_r,v_r)^T输入至水下滑翔机稳态运动控制方程中，计算出该系统的稳态输出r_c，其中r_c为稳态输出的滑块位置；

步骤3：测量水下滑翔机在实际滑翔阶段的俯仰角θ，得到预设俯仰角θ_r与水下滑翔机实际俯仰角θ之间偏差，采用PID控制器对水下滑翔机的俯仰角进行闭环控制，得到俯仰角误差反馈下的r_i，其中r_i为由俯仰角误差所产生的滑块位置偏移量：

k_p，k_i，k_d分别为PID控制中的比例、积分和微分系数；Δθ＝θ-θ_r；

步骤4：根据步骤2得到的稳态输出的滑块位置r_c，步骤3得到的俯仰角误差所产生的滑块位置偏移量r_i，通过以下公式得到修正后的滑块位置控制量r_ic

r_ic＝r_i+r_c+k_bm_b

其中k_b为设定的常数，m_b为测量得到的水下滑翔机在实际滑翔阶段的浮力值；

步骤5：将步骤4得到的修正后的滑块位置控制量r_ic输入水下滑翔机俯仰控制系统中，实现水下滑翔机俯仰角控制。

有益效果

相对现有技术，本发明具有如下优点及效果：

本发明所述的控制方法利用浮力的实时反馈值，来修正浮力变化引起的俯仰角误差，补偿变浮力速率与滑块移动速率不协调造成的影响，保证能滑稳定控制滑翔机的俯仰角。

本发明适用于变浮力驱动与俯仰通道存在耦合干扰下的水下滑翔机的俯仰角控制，具有控制参数少，易于调节，自适应能力强，结构简单，控制精度高，易于工程实现等优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明中飞翼式水下滑翔机的侧向运动控制器框图。

图2是基于浮力反馈下水下滑翔机采用PID控制方法、无浮力反馈与期望的俯仰角随时间的变化曲线。

图3是基于浮力反馈下水下滑翔机采用PID控制方法与无浮力反馈下的滑块位置随时间的变化曲线。

图4是仿真过程中浮力的实时反馈。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

步骤1：水下滑翔机在开始滑翔前，根据实际需求预置滑翔指令参数x_r＝(θ_r,v_r)^T，其中θ_r为期望滑翔俯仰角，v_r为期望的滑翔速度；

本实施例中，根据实际需求预置滑翔指令参数x_r＝(θ_r,v_r)^T，其中，θ_r为期望滑翔俯仰角，v_r为期望的滑翔速度。预设第一阶段期望俯仰角θ_r＝-23°，第二阶段期望俯仰角θ_r＝32°，第三阶段期望俯仰角θ_r＝-25°，第四阶段期望俯仰角θ_r＝35°。期望的滑翔速度v_r＝0.3m/s,初始俯仰角θ＝22.9°。

步骤2：将给定的滑翔指令x_r＝(θ_r,v_r)^T输入至水下滑翔机稳态运动控制方程中，计算出该系统的稳态输出r_c，其中r_c为稳态输出的滑块位置。水下滑翔机稳态运动控制方程采用的是水下滑翔机领域中常规的控制方程，在已有公开文献中已为本领域技术人员所公知。

本发明中控制策略是根据预设俯仰角θ_r与水下滑翔机实际俯仰角θ之间偏差，设计PID控制器，得出俯仰角误差反馈下的r_i。同时，加上步骤2中稳态俯仰角下的滑块位置r_c，再加上实时反馈的浮力k_bm_b，得出修正后的控制输入r_ic，将其作用于水下滑翔机，实现对水下滑翔机的控制。

步骤3：测量水下滑翔机在实际滑翔阶段的俯仰角θ，得到预设俯仰角θ_r与水下滑翔机实际俯仰角θ之间偏差，采用PID控制器对水下滑翔机的俯仰角进行闭环控制，得到俯仰角误差反馈下的r_i，其中r_i为由俯仰角误差所产生的滑块位置偏移量：

k_p，k_i，k_d分别为PID控制中的比例、积分和微分系数；Δθ＝θ-θ_r；

步骤4：根据步骤2得到的稳态输出的滑块位置r_c，步骤3得到的俯仰角误差所产生的滑块位置偏移量r_i，通过以下公式得到修正后的滑块位置控制量r_ic

r_ic＝r_i+r_c+k_bm_b

其中k_b为设定的常数，m_b为测量得到的水下滑翔机在实际滑翔阶段的浮力值；

步骤5：将步骤4得到的修正后的滑块位置控制量r_ic输入水下滑翔机俯仰控制系统中，实现水下滑翔机俯仰角控制。

通过与无浮力反馈的控制算法仿真对比，验证了基于浮力反馈下的滑翔机俯仰角PID控制方法的有效性。

从仿真图2中可以看出，在无浮力反馈下，由于存在变浮力响应速率远低于滑块响应速率的问题，在浮力切换瞬间，两者响应速率的不协调导致了较大的俯仰角误差。而在采用了基于浮力反馈下的滑翔机俯仰角PID控制方法之后，可以明显看出解决了由于变浮力而产生的较大俯仰角误差的问题。

从仿真图3可以看出，在采用了基于浮力反馈下的滑翔机俯仰角PID控制方法之后，与无浮力反馈控制方法相比，滑块位置趋向于稳定状态的速率明显减小，证明了基于浮力反馈下的滑翔机俯仰角PID控制方法的有效性。

从仿真图4中可以看出在仿真过程中水下滑翔机的浮力实时反馈值。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种浮力反馈下的水下滑翔机俯仰角控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：水下滑翔机在开始滑翔前，根据实际需求预置滑翔指令参数x_r＝(θ_r,v_r)^T，其中θ_r为期望滑翔俯仰角，v_r为期望的滑翔速度；

步骤2：将给定的滑翔指令x_r＝(θ_r,v_r)^T输入至水下滑翔机稳态运动控制方程中，计算出该系统的稳态输出r_c，其中r_c为稳态输出的滑块位置；

步骤3：测量水下滑翔机在实际滑翔阶段的俯仰角θ，得到预设俯仰角θ_r与水下滑翔机实际俯仰角θ之间偏差，采用PID控制器对水下滑翔机的俯仰角进行闭环控制，得到俯仰角误差反馈下的r_i，其中r_i为由俯仰角误差所产生的滑块位置偏移量：

k_p，k_i，k_d分别为PID控制中的比例、积分和微分系数；Δθ＝θ-θ_r；

步骤4：根据步骤2得到的稳态输出的滑块位置r_c，步骤3得到的俯仰角误差所产生的滑块位置偏移量r_i，通过以下公式得到修正后的滑块位置控制量r_ic

r_ic＝r_i+r_c+k_bm_b

其中k_b为设定的常数，m_b为测量得到的水下滑翔机在实际滑翔阶段的浮力值；

步骤5：将步骤4得到的修正后的滑块位置控制量r_ic输入水下滑翔机俯仰控制系统中，实现水下滑翔机俯仰角控制。