CN109669469A - 无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人艇滚转‑航向协调增稳控制系统及方法，包括推进部、推进控制部、尾舵部、尾舵控制部和协调控制部，推进部包括左变距螺旋桨、左驱动机构、右变距螺旋桨和右驱动机构，左变距螺旋桨和右变距螺旋桨旋转方向相反，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；推进控制部包括滚转角速度陀螺、滚转角速度指令器和滚转角速度控制器，用于滚转增稳；尾舵部包括左舵、左舵机、右舵和右舵机，左舵和右舵同步偏转，产生偏航力矩；尾舵控制部包括偏航角速度陀螺、偏航角速度指令器、偏航角速度控制器，用于偏航增稳；协调控制部用于滚转‑偏航协调控制。以双变距螺旋桨和双舵面协调控制作为无人艇的减摇增稳方式，能够改善滚转‑偏航操纵品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法，主要应用在无人艇控制技术领域，能够改善无人艇的操纵品质。
背景技术
作为一种无人海上运载平台，高速无人艇可在海洋中承担高航速、长航时、低成本、大范围、免维护的科学考察和军事任务。因此高速无人艇在军事和民用领域具有极其广泛的应用前景，如生物研究、水文观测、海图绘制、环境监测、通讯中继、资源勘探、领海巡逻、走私缉毒、潜艇跟踪、情报搜集和对舰攻击等任务。
为了减小高速无人艇的阻力，通常其艇身为细长体形。因此高速无人艇转动惯量小，横向稳定性差。不仅容易出现摇摆现象，影响平台稳定；而且容易在急弯和强风条件下发生侧翻，造成严重事故。
为改善高速无人艇的操纵品质，通常采用的减摇增稳措施包括：双体船、舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱和舵减摇等。双体船能够增强船舶的稳定性，但会显著增加无人艇的宽度，不利于母舰搭载；舭龙骨是广泛应用的简单被动减摇装置，不能提供主动减摇措施，而且会增加航行阻力；减摇鳍是一种主动减摇装置，需要在艇身外侧安装减摇鳍及其舵机，增加了制造成本和系统复杂度；减摇水舱通过在船身内部安装水舱实现减摇，但占地大、功耗高，现在已较少使用；舵减摇通过尾舵偏转产生附加的滚转力矩，因此在工作过程中会引入不必要的偏航力矩。
为了改善高速无人艇的操纵品质，提出了双螺旋桨-双尾舵协调减摇增稳方法。本发明利用了双螺旋桨的反扭矩，通过桨距差动和转速差动，直接产生快速稳定的减摇力矩，实现滚转角速度增稳；通过调整桨距差动和转速差动的操纵增益，可组成多种时变的匹配控制方式；利用双尾舵产生偏航力矩，不仅克服双螺旋桨桨距差动和转速差动导致的偏航力矩，同时实现偏航角速度增稳；为了进一步增强对滚转角速度和偏航角速度的控制效果，引入偏航-滚转耦合控制和滚转-偏航耦合控制，其中：偏航-滚转耦合控制通过偏航操纵，增强对滚转角速度的控制效果；滚转-偏航耦合通过滚转操纵，增强对偏航角速度的控制效果。
与传统的减摇增稳方法相比，本发明避免了减摇过程中产生的不必要偏航力矩，而且结构简单、重量轻、功耗低，便于高速无人艇搭载。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中无人艇转动惯量小，横向稳定性差，易侧翻的不足，本发明提供一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法，改善了无人艇的操纵品质。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种无人艇减摇增稳系统及方法，包括推进部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，
推进部包括左变距螺旋桨、左驱动机构、右变距螺旋桨和右驱动机构，并有：
所述左驱动机构驱动左变距螺旋桨，所述右驱动机构驱动右变距螺旋桨，所述左变距螺旋桨和右变距螺旋桨旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩，以及辅助的偏航力矩；
优选地，根据发动机的油耗-功率曲线选择发动机的经济转速，以及对应的左变距螺旋桨与右变距螺旋桨的转速范围；
优选地，以桨距差动为主，转速差动为辅，通过对左变距螺旋桨与右变距螺旋桨的转速进行差动控制，辅助桨距差动进一步增强滚转力矩；
滚转增稳部包括滚转角速度陀螺、滚转角速度指令器和滚转角速度控制器，并有：滚转角速度指令器和滚转角速度控制器依次连接至推进部，滚转角速度陀螺连接至滚转角速度控制器；
尾舵部包括左舵、左舵机、右舵和右舵机，并有：左舵机用于驱动左舵，右舵机用于驱动右舵，通过左舵和右舵的同步偏转产生偏航力矩，以及辅助的滚转力矩；
偏航增稳部包括偏航角速度陀螺、偏航角速度指令器和偏航角速度控制器，并有：偏航角速度指令器和偏航角速度控制器依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺连接至偏航角速度控制器；
耦合控制部包括滚转-偏航耦合控制器和偏航-滚转耦合控制器，其中，滚转-偏航耦合控制器与滚转角速度指令器和偏航角速度控制器相连，用于产生滚转对偏航的耦合控制；偏航-滚转耦合控制器与偏航角速度指令器和滚转角速度控制器相连，用于产生偏航对滚转的耦合控制。
一种无人艇滚转-航向协调增稳控制方法，包括上述的无人艇减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳、偏航角速度增稳和滚转-偏航耦合控制的步骤，其中，
滚转角速度增稳用于保持期望的滚转角速度，具体步骤包括：
滚转角速度指令器与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令uP，并发送给滚转角速度控制器，其中，uP计算公式为：
uP＝Kφeφ (1)
其中，Kφ是指令系数；
同时，滚转角速度陀螺检测无人艇的滚转角速度P，并发送给滚转角速度控制器；
然后，滚转角速度控制器根据滚转角速度指令uP和滚转角速度P，计算滚转角速度误差eP；滚转角速度控制器根据滚转角速度误差eP生成滚转角速度增稳指令uLatP：
其中，是控制比例系数；P是滚转角速度陀螺检测到的滚转角速度；
滚转角速度增稳指令uLatP通过改变左变距螺旋桨的转速ΩL和右变距螺旋桨的转速ΩR，以消除滚转角速度误差eP，实现滚转角速度增稳和控制；
在改变左变距螺旋桨的转速ΩL和右变距螺旋桨的转速ΩR的过程中，会导致左变距螺旋桨和右变距螺旋桨的推力出现差动，进而产生不必要的偏航力矩NΩ；为了克服NΩ的影响，需协同尾舵同步偏转实现偏航角速度增稳控制；
偏航角速度增稳用于保持期望的偏航角速度，具体步骤包括：
偏航角速度指令器与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令uR，并发送给偏航角速度控制器，uR的计算公式为：
uR＝Kψeψ (3)
其中，Kψ是指令系数。
同时，偏航角速度陀螺检测无人艇的偏航角速度R，并发送给偏航角速度控制器；
然后，偏航角速度控制器根据偏航角速度指令uR和偏航角速度R，计算偏航角速度误差eR；接着，偏航角速度控制器根据偏航角速度误差eR生成偏航角速度增稳指令uRudR：
其中，是控制比例系数，R是偏航角速度陀螺检测到的偏航角速度；
为了进一步增强对滚转角速度和偏航角速度的控制效果，引入了耦合控制部；耦合控制部包括偏航-滚转耦合控制和滚转-偏航耦合控制，其中：偏航-滚转耦合控制通过偏航操纵，增强对滚转角速度的控制效果；滚转-偏航耦合通过滚转操纵，增强对偏航角速度的控制效果；
滚转-偏航耦合控制具体步骤包括：
滚转-偏航耦合控制器与偏航角速度指令器相连，根据偏航角速度指令器生成的偏航角速度指令uR，计算得到滚转耦合指令uLatR，以辅助滚转控制；
可选地，滚转耦合指令uLatR采用比例计算方式：
其中，是滚转-偏航耦合比例系数，用于实现基于滚转操纵的偏航控制；
滚转指令uLat由滚转增稳指令uLatP和滚转耦合指令uLatR合成得到；其中，滚转增稳指令uLatP用于产生滚转力矩以消除滚转角速度误差eP，实现滚转角速度增稳和控制；滚转耦合指令uLatR用于产生辅助的滚转力矩，以增强滚转角速度的控制效果；滚转指令uLat发送给左变距螺旋桨、右变距螺旋桨、左驱动机构和右驱动机构，实现滚转增稳和控制：
根据滚转指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ1uLat和转速增量指令uΔΩ＝λΩuLat；进而得到左变距螺旋桨的桨距增量控制指令uΔθL＝uΔθ和右变距螺旋桨的桨距增量控制指令uΔθR＝-uΔθ，其中uΔθL和uΔθR大小相等，方向相反；同时得到左驱动机构的转速增量指令uΔΩL＝uΔΩ和uΔΩR＝-uΔΩ，其中uΔΩL和uΔΩR大小相等，方向相反；计算公式为：
其中，θL0和θR0分别是左变距螺旋桨和右变距螺旋桨原有的桨距；Δ表示增量；uΔθL和uΔθR是幅值相同、符号相反的差动桨距增量控制指令；uθL和uθR是合成后的桨距指令，并分别发送给左变距螺旋桨和右变距螺旋桨；左变距螺旋桨和右变距螺旋桨根据uθL和uθR，达到相应的桨距角θL和θR；
其中，ΩL0和ΩR0分别是左变距螺旋桨和右变距螺旋桨原有的转速；uΔΩL和uΔΩR是幅值相同、符号相反的差动转速增量控制指令；uΩL和uΩR是合成后的转速控制指令，并发送给推进部的左驱动机构和右驱动机构；左驱动机构和右驱动机构分别根据uΔθL和uΔθR，驱动左变距螺旋桨和右变距螺旋桨达到相对应的转速ΩL和ΩR；
其中，和分别用于桨距增量控制指令uΔθ和转速增量控制指令uΔΩ的操纵功效因子，λθ或λΩ为1表征桨距增量控制或转速增量控制完全有效，为0表征桨距增量控制或转速增量控制完全失效；改变λθ和λΩ可产生不同的控制方式；
可选地，λθ＝1,λΩ＝0对应于完全采用桨距差动的增稳方式，其优点是操纵响应快，螺旋桨驱动机构的工作压力小；其缺点是控制增益较转速差动偏小；
可选地，λθ＝0,λΩ＝1对应于完全采用转速差动的增稳方式，其优点是控制增益较转速差动偏大；其缺点是操纵响应慢，螺旋桨驱动机构的工作压力大；
优选地，λθ＝1,λΩ＝1对应于同时采用桨距差动和转速差动的增稳方式，以桨距差动作为快速响应控制方式，以转速差动作为增强补充控制方式，其优点是控制增益大；响应速度快；通过限制转速差动的响应速度，可以降低对螺旋桨驱动机构的工作压力。
优选地，λθ＝fθ(t),λΩ＝fΩ(t)为根据工作状态而实时调整的时变参数，可进一步增强桨距差动和转速差动的混合控制效果，并降低螺旋桨驱动机构的工作压力；
由于螺旋桨扭矩τ与桨距角θ成正比，与转速的平方Ω2成正比，因此左变距螺旋桨和右变距螺旋桨产生桨距差动或转速差动的情况下，分别对艇体产生滚转力矩Lθ和LΩ，忽略高阶项的小扰动计算公式为：
其中，Ixx是无人艇的滚转转动惯量，LP是滚转增稳控制力矩，LR是滚转耦合控制力矩，
τL和τR分别是左变距螺旋桨和右变距螺旋桨的反扭矩，κτ是反扭矩系数；通过改变左变距螺旋桨的桨距角θL和转速ΩL，以及右变距螺旋桨的桨距角θR和转速ΩR，可以调整艇体的滚转力矩LP及对应的滚转角速度P，从而实现对艇体滚转角速度P的增稳和控制；同时，上述操纵可以辅助产生有利的偏航耦合力矩NP，辅助无人艇实现偏航角速度增稳和控制。
偏航-滚转耦合控制具体步骤包括：
偏航-滚转耦合控制器与滚转角速度指令器相连，根据滚转角速度指令器生成的滚转角速度指令uP，计算得到偏航耦合指令uRudP；偏航指令uRud由偏航控制指令uRudR与偏航耦合指令uRudP合成得到；
可选地，偏航耦合指令uRudP采用比例计算方式：
其中，是偏航-滚转耦合比例系数，用于实现基于偏航操纵的滚转控制；在偏航控制指令uRudR和偏航耦合指令uRudP的基础上，合成得到偏航指令uRud；其中，偏航控制指令uRudR用于产生偏航力矩以消除偏航角速度误差eP，实现偏航角速度增稳和控制；偏航耦合指令uRudP用于产生辅助的偏航力矩，以增强偏航角速度的控制效果；偏航指令uRud发送给左舵机和右舵机，实现偏航增稳和控制，具体步骤为：
可得到相同的舵面控制指令uδL和uδR；
其中，Izz是无人艇的偏航转动惯量，NR是偏航增稳控制力矩，NP是偏航耦合控制力矩，
ζ是尾舵的舵效系数，ηL和ηR分别是左舵和右舵的初始偏航力矩；Δ表示增量；
左变距螺旋桨和右变距螺旋桨在桨距差动和转速差动的情况下，都将产生推力差及偏航耦合力矩NP，以增强对无人艇偏航角速度的控制效果：
NP＝TLs1-TRs2 (11)
其中，TL和TR分别是左变距螺旋桨和变距螺旋桨的推力，s1和s2分别是左变距螺旋桨和变距螺旋桨的力臂；
偏航角速度控制器将uδL和uδR发送给尾舵部的左舵机和右舵机；在uδL和uδR的作用下，左舵和右舵同步偏转，产生偏航力矩NR和对应的偏航角速度R，实现了偏航角速度增稳和控制；
左舵和右舵同步偏转过程中，产生滚转耦合力矩LR，用于辅助无人艇实现滚转角速度控制，以增强对无人艇滚转角速度控制效果：
LR＝(FL+FR)h (12)
其中，FL和FR分别是左舵和右舵受到的水动力，h是左舵和右舵的力臂；
本发明的有益效果是：本发明提供的一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法，通过桨距差动和转速差动，实现了滚转角速度增稳；通过控制左舵和右舵的偏角，实现了偏航角速度增稳；同时，利用左变距螺旋桨和右变距螺旋桨桨距差动和转速差动产生的耦合偏航力矩，增强了偏航角速度控制效果；利用左舵和右舵产生的耦合滚转力矩，增强了滚转角速度控制效果；本发明组合使用双变距螺旋桨和双舵面作为无人艇的减摇增稳控制方式，在减摇增稳控制的同时，能产生期望的偏航角速度；在航向增稳控制的同时，能产生期望的滚转角速度；因此能够改善无人艇的操纵品质；与传统的减摇增稳控制方法相比，本发明还有原理简单、调整方便、适应范围宽的优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法在无人艇上搭载的后视图。
图2是无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法在无人艇上搭载的侧视图。
图3是无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法的流程图。
图4是无人艇以滚转-航向协调增稳控制方式向右偏航的示意图(后视)。
图5是无人艇以滚转-航向协调增稳控制方式向右偏航的示意图(俯视)。
图中：1.无人艇，2.左变距螺旋桨，21.左驱动机构，3.右变距螺旋桨，31.右驱动机构，4.左舵，41.左舵机，5.右舵，51.右舵机，6.滚转角速度陀螺，61.滚转角速度指令器，62.滚转角速度控制器，7.偏航角速度陀螺，71.偏航角速度指令器，72.偏航角速度控制器，81，滚转-偏航耦合控制器，82，偏航-滚转耦合控制器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1和图2所示，本发明的一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统，主要包括推进部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，
推进部包括左变距螺旋桨2、左驱动机构21、右变距螺旋桨3和右驱动机构31，并有：
所述左驱动机构21驱动左变距螺旋桨2，所述右驱动机构31驱动右变距螺旋桨3，所述左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩，以及辅助的偏航力矩；
优选地，根据发动机的油耗-功率曲线选择发动机的经济转速，以及对应的左变距螺旋桨2与右变距螺旋桨3的转速范围；
优选地，以桨距差动为主，转速差动为辅，通过对左变距螺旋桨2与右变距螺旋桨3的转速进行差动控制，辅助桨距差动进一步增强滚转力矩；
滚转增稳部包括滚转角速度陀螺6、滚转角速度指令器61和滚转角速度控制器62，并有：滚转角速度指令器61和滚转角速度控制器62依次连接至推进部，滚转角速度陀螺6连接至滚转角速度控制器62；
尾舵部包括左舵4、左舵机41、右舵5和右舵机51，并有：左舵机41用于驱动左舵4，右舵机51用于驱动右舵5，通过左舵4和右舵5的同步偏转产生偏航力矩，以及辅助的滚转力矩；
偏航增稳部包括偏航角速度陀螺7、偏航角速度指令器71和偏航角速度控制器72，并有：偏航角速度指令器71和偏航角速度控制器72依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺7连接至偏航角速度控制器72。
耦合控制部用于进一步增强对滚转角速度和偏航角速度的控制效果，包括滚转-偏航耦合控制器81和偏航-滚转耦合控制器82，其中，滚转-偏航耦合控制器81与滚转角速度指令器61和偏航角速度控制器72相连，用于产生滚转对偏航的耦合控制；偏航-滚转耦合控制器82与偏航角速度指令器71和滚转角速度控制器62相连，用于产生偏航对滚转的耦合控制。
如图3-图5所示，一种无人艇滚转-航向协调增稳控制方法，包括上述的无人艇1减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳和控制、偏航角速度增稳和控制，以及滚转-偏航耦合控制的步骤，其中，
滚转角速度增稳和控制用于保持期望的滚转角速度，具体步骤包括：
滚转角速度指令器61与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令uP，并发送给滚转角速度控制器62，其中，uP计算公式为：
uP＝Kφeφ (1)
其中，Kφ是指令系数。
同时，滚转角速度陀螺6检测无人艇1的滚转角速度P，并发送给滚转角速度控制器62。
然后，滚转角速度控制器62根据滚转角速度指令uP和滚转角速度P，计算滚转角速度误差eP；滚转角速度控制器62根据滚转角速度误差eP生成滚转角速度增稳指令uLatP：
其中，是控制比例系数；P是滚转角速度陀螺6检测到的滚转角速度；
滚转角速度增稳指令uLatP通过改变左变距螺旋桨2的转速ΩL和右变距螺旋桨3的转速ΩR，以消除滚转角速度误差eP，实现滚转角速度增稳和控制。
在改变左变距螺旋桨2的转速ΩL和右变距螺旋桨3的转速ΩR的过程中，会导致左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3的推力出现差动，进而产生不必要的偏航力矩NΩ；为了克服NΩ的影响，需协同尾舵同步偏转实现偏航角速度增稳和控制。
偏航角速度增稳和控制用于保持期望的偏航角速度，具体步骤包括：
偏航角速度指令器71与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令uR，并发送给偏航角速度控制器72，uR的计算公式为：
uR＝Kψeψ (3)
其中，Kψ是指令系数。
同时，偏航角速度陀螺7检测无人艇1的偏航角速度R，并发送给偏航角速度控制器72。
然后，偏航角速度控制器72根据偏航角速度指令uR和偏航角速度R，计算偏航角速度误差eR；接着，偏航角速度控制器72根据偏航角速度误差eR生成偏航角速度增稳指令uRudR：
其中，是控制比例系数，R是偏航角速度陀螺7检测到的偏航角速度；
为了进一步增强滚转角速度和偏航角速度的控制效果，引入耦合控制部；耦合控制部包括偏航-滚转耦合控制和滚转-偏航耦合控制，其中：偏航-滚转耦合控制通过偏航操纵，增强对滚转角速度的控制效果；滚转-偏航耦合通过滚转操纵，增强对偏航角速度的控制效果；
滚转-偏航耦合控制具体步骤包括：
滚转-偏航耦合控制器81与偏航角速度指令器71相连，根据偏航角速度指令器71生成的偏航角速度指令uR，计算得到滚转耦合指令uLatR，以辅助滚转控制；
可选地，滚转耦合指令uLatR采用比例计算方式：
其中，是滚转-偏航耦合比例系数，用于实现基于滚转操纵的偏航控制；
滚转指令uLat由滚转增稳指令uLatP和滚转耦合指令uLatR合成得到；其中，滚转增稳指令uLatP用于产生滚转力矩以消除滚转角速度误差eP，实现滚转角速度增稳和控制；滚转耦合指令uLatR用于产生辅助的滚转力矩，以增强滚转角速度的控制效果；滚转指令uLat发送给左变距螺旋桨2、右变距螺旋桨3、左驱动机构21和右驱动机构31，实现滚转增稳和控制：
根据滚转指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ1uLat和转速增量指令uΔΩ＝λΩuLat；进而得到左变距螺旋桨2的桨距增量控制指令uΔθL＝uΔθ和右变距螺旋桨3的桨距增量控制指令uΔθR＝-uΔθ，其中uΔθL和uΔθR大小相等，方向相反；同时得到左驱动机构21的转速增量指令uΔΩL＝uΔΩ和uΔΩR＝-uΔΩ，其中uΔΩL和uΔΩR大小相等，方向相反；计算公式为：
其中，θL0和θR0分别是左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3原有的桨距；Δ表示增量；uΔθL和uΔθR是幅值相同、符号相反的差动桨距增量控制指令；uθL和uθR是合成后的桨距指令，并分别发送给左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3；左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3根据uθL和uθR，达到相应的桨距角θL和θR；
其中，ΩL0和ΩR0分别是左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3原有的转速；uΔΩL和uΔΩR是幅值相同、符号相反的差动转速增量控制指令；uΩL和uΩR是合成后的转速控制指令，并发送给推进部的左驱动机构21和右驱动机构31；左驱动机构21和右驱动机构31分别根据uΔθL和uΔθR，驱动左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3达到相对应的转速ΩL和ΩR；
其中，和分别用于桨距增量控制指令uΔθ和转速增量控制指令uΔΩ的操纵功效因子，λθ或λΩ为1表征桨距增量控制或转速增量控制完全有效，为0表征桨距增量控制或转速增量控制完全失效；改变λθ和λΩ可产生不同的控制方式；
可选地，λθ＝1,λΩ＝0对应于完全采用桨距差动的增稳方式，其优点是操纵响应快，螺旋桨驱动机构的工作压力小；其缺点是控制增益较转速差动偏小；
可选地，λθ＝0,λΩ＝1对应于完全采用转速差动的增稳方式，其优点是控制增益较转速差动偏大；其缺点是操纵响应慢，螺旋桨驱动机构的工作压力大；
优选地，λθ＝1,λΩ＝1对应于同时采用桨距差动和转速差动的增稳方式，以桨距差动作为快速响应控制方式，以转速差动作为增强补充控制方式，其优点是控制增益大；响应速度快；通过限制转速差动的响应速度，可以降低对螺旋桨驱动机构的工作压力。
优选地，λθ＝fθ(t),λΩ＝fΩ(t)为根据工作状态而实时调整的时变参数，可进一步增强桨距差动和转速差动的混合控制效果，并降低螺旋桨驱动机构的工作压力。
由于螺旋桨扭矩τ与桨距角θ成正比，与转速的平方Ω2成正比，因此左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3产生桨距差动或转速差动的情况下，分别对艇体产生滚转力矩Lθ和LΩ，忽略高阶项的小扰动计算公式为：
其中，Ixx是无人艇1的滚转转动惯量，LP是滚转增稳控制力矩，LR是滚转耦合控制力矩，
τL和τR分别是左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3的反扭矩，κτ是反扭矩系数；通过改变左变距螺旋桨2的桨距角θL和转速ΩL，以及右变距螺旋桨3的桨距角θR和转速ΩR，可以调整艇体的滚转力矩LP及对应的滚转角速度P，从而实现对艇体滚转角速度P的增稳和控制；同时，上述操纵可以辅助产生有利的偏航耦合力矩NP，辅助无人艇1实现偏航角速度增稳和控制；
偏航-滚转耦合控制具体步骤包括：
偏航-滚转耦合控制器82与滚转角速度指令器61相连，根据滚转角速度指令器61生成的滚转角速度指令uP，计算得到偏航耦合指令uRudP；偏航指令uRud由偏航控制指令uRudR与偏航耦合指令uRudP合成得到；
可选地，偏航耦合指令uRudP采用比例计算方式：
其中，是偏航-滚转耦合比例系数，用于实现基于偏航操纵的滚转控制；在偏航控制指令uRudR和偏航耦合指令uRudP的基础上，合成得到偏航指令uRud；其中，偏航控制指令uRudR用于产生偏航力矩以消除偏航角速度误差eP，实现偏航角速度增稳和控制；偏航耦合指令uRudP用于产生辅助的偏航力矩，以增强偏航角速度的控制效果；偏航指令uRud发送给左舵机41和右舵机51，实现偏航增稳和控制，具体步骤为：
可得到相同的舵面控制指令uδL和uδR。
其中，Izz是无人艇1的偏航转动惯量，NR是偏航增稳控制力矩，NP是偏航耦合控制力矩，
ζ是尾舵的舵效系数，ηL和ηR分别是左舵4和右舵5的初始偏航力矩；Δ表示增量；
左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3在桨距差动和转速差动的情况下，都将产生推力差及偏航耦合力矩NP，以增强对无人艇1偏航角速度的控制效果：
NP＝TLs1-TRs2 (11)
其中，TL和TR分别是左变距螺旋桨2和变距螺旋桨的推力，s1和s2分别是左变距螺旋桨2和变距螺旋桨的力臂；
偏航角速度控制器72将uδL和uδR发送给尾舵部的左舵机41和右舵机51；在uδL和uδR的作用下，左舵4和右舵5同步偏转，产生偏航力矩NR和对应的偏航角速度R，实现了偏航角速度增稳和控制；
左舵4和右舵5同步偏转过程中，产生滚转耦合力矩LR，用于辅助无人艇1实现滚转角速度控制，以增强对无人艇1滚转角速度控制效果：
LR＝(FL+FR)h (12)
其中，FL和FR分别是左舵4和右舵5受到的水动力，h是左舵4和右舵5的力臂；
由此可知，通过双变距螺旋桨和双舵面的协调控制，可实现无人艇的滚转-航向的增稳和控制：通过控制左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3的桨距角和转速，实现了滚转角速度增稳和控制；通过控制左舵4和右舵5的偏角，实现了偏航角速度增稳和控制；同时，利用左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3桨距差动和转速差动产生的耦合偏航力矩，增强了偏航角速度控制效果；利用左舵4和右舵5产生的耦合滚转力矩，增强了滚转角速度控制效果。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (2)
1.一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统，其特征在于：包括推进部、推进控制部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，
推进部包括左变距螺旋桨(2)、左驱动机构(21)、右变距螺旋桨(3)和右驱动机构(31)，并有：
所述左驱动机构(21)驱动左变距螺旋桨(2)，所述右驱动机构(31)驱动右变距螺旋桨(3)，所述左变距螺旋桨(2)和右变距螺旋桨(3)旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；
滚转增稳部包括滚转角速度陀螺(6)、滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)，并有：滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)依次连接至推进部，滚转角速度陀螺(6)连接至滚转角速度控制器(62)；
尾舵部包括左舵(4)、左舵机(41)、右舵(5)和右舵机(51)，并有：左舵机(41)用于驱动左舵(4)，右舵机(51)用于驱动右舵(5)，左舵(4)和右舵(5)同步偏转，共同产生偏航力矩；
偏航增稳部包括偏航角速度陀螺(7)、偏航角速度指令器(71)和偏航角速度控制器(72)，并有：偏航角速度指令器(71)和偏航角速度控制器(72)依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺(7)连接至偏航角速度控制器(72)；
耦合控制部包括滚转-偏航耦合控制器(81)和偏航-滚转耦合控制器(82)，其中，滚转-偏航耦合控制器(81)与滚转角速度指令器(61)和偏航角速度控制器(72)相连，用于产生滚转对偏航的耦合控制；偏航-滚转耦合控制器(82)与偏航角速度指令器(71)和滚转角速度控制器(62)相连，用于产生偏航对滚转的耦合控制。
2.一种无人艇滚转-航向协调增稳控制方法，其特征在于：包括权利要求1所述的无人艇(1)减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳和控制、偏航角速度增稳和控制，以及滚转-偏航耦合控制的步骤，其中，
(1)滚转角速度增稳和控制用于保持期望的滚转角速度，具体步骤包括：
滚转角速度指令器(61)与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令uP，并发送给滚转角速度控制器(62)；
同时，滚转角速度陀螺(6)检测无人艇(1)的滚转角速度P，并发送给滚转角速度控制器(62)；
然后，滚转角速度控制器(62)根据滚转角速度指令uP和滚转角速度P，计算滚转角速度误差eP；滚转角速度控制器(62)根据滚转角速度误差eP生成滚转角速度增稳指令uLatP；
(2)偏航角速度增稳和控制用于保持期望的偏航角速度，具体步骤包括：
偏航角速度指令器(71)与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令uR，并发送给偏航角速度控制器(72)；
同时，偏航角速度陀螺(7)检测无人艇(1)的偏航角速度R，并发送给偏航角速度控制器(72)；
然后，偏航角速度控制器(72)根据偏航角速度指令uR和偏航角速度R，计算偏航角速度误差eR；接着，偏航角速度控制器(72)根据偏航角速度误差eR生成偏航角速度增稳指令uRudR；
(3)滚转-偏航耦合控制包括滚转-偏航耦合和偏航-滚转耦合两部分，其中，
滚转-偏航耦合控制具体步骤包括：
滚转-偏航耦合控制器(81)与偏航角速度指令器(71)相连，根据偏航角速度指令器(71)生成的偏航角速度指令uR，计算得到滚转耦合指令uLatR，以辅助滚转控制；
在滚转增稳指令uLatP和滚转耦合指令uLatR的基础上，合成得到滚转指令uLat；根据滚转指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ1uLat和转速增量指令uΔΩ＝λΩuLat；进而获得左变距螺旋桨(2)的桨距增量控制指令uΔθL＝uΔθ和右变距螺旋桨(3)的桨距增量控制指令uΔθR＝-uΔθ，其中uΔθL和uΔθR大小相等，方向相反；以及左驱动机构(21)的转速增量指令uΔΩL＝uΔΩ和uΔΩR＝-uΔΩ，其中uΔΩL和uΔΩR大小相等，方向相反；和为操纵功效因子，分别用于增量控制指令uΔθ和转速增量指令uΔΩ的功效；λθ和λΩ为0表征完全失效，为1表征完全有效；
偏航-滚转耦合控制具体步骤包括：
偏航-滚转耦合控制器(82)与滚转角速度指令器(61)相连，根据滚转角速度指令器(61)生成的滚转角速度指令uP，计算得到偏航耦合指令uRudP；在偏航耦合指令uRudP与偏航控制指令uRudR的基础上，合成得到偏航指令uRud；偏航指令uRud得到相同的舵面控制指令uδL和uδR；偏航角速度控制器(72)将uδL和uδR发送给尾舵部的左舵机(41)和右舵机(51)，在uδL和uδR的作用下，左舵(4)和右舵(5)同步偏转，产生偏航力矩NR和对应的偏航角速度R，实现了偏航角速度增稳和控制。
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