CN111547212B - 一种无动力式快速潜浮auv的浮力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法，通过对AUV水平姿态变为竖直姿态的变化时间t的记录以及AUV竖直姿态下近似匀速运动速度的加权融合计算，对到达目标深度前由竖直姿态变为水平姿态的变化过程给出准确且充足的运动距离；在AUV竖直姿态变为水平姿态的下潜或上浮过程中以及AUV以水平姿态下潜或上浮过程中，采用深度与速度双闭环控制方法对浮力调节机构不断调节，并在此基础上利用非线性扩张状态观测器对下潜或上浮过程中受到的海洋环境干扰进行估计并补偿。本发明在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下更加准确地快速下潜或上浮到目标深度。

Description

一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法

技术领域

本发明涉及一种不使用推进器和舵等动力推进装置的快速潜浮AUV的浮力精确控制方法，属于无动力航行技术领域。

背景技术

随着海洋开发进程的加快,无人无缆自主式水下机器人(Autonomous underwatervehicle,AUV)技术得到了长足发展，已经在海洋科学研究、海洋资源调查以及打捞救生等领域被广泛应用。对于长宽比大于2的AUV在执行深海考察作业任务时，其下潜或上浮基本依靠推进器和舵等装置，导致需要消耗非常大的能源，进而使其在预定深度执行任务的时间相对减少，导致所执行任务可能无法一次完成，从而需要对某一固定的海域进行多次下潜任务。如果AUV借助常规的浮力调节系统，采用无动力(不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置)方式下潜或上浮，虽然降低了大量能耗，但是其迎流面积很大，导致其下潜和上浮的速度很慢，造成工作时间的浪费。

申请号为201911152439.5的专利公开了一种新式浮力调节系统，使其在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下，通过改变油囊体积达到下潜或上浮的目的，同时通过改变下潜或上浮时的姿态以减小AUV下潜或上浮时的迎流面积，进而减小了垂向阻力，在所受浮力一定的情况下，可以在降低能耗的同时加快下潜或上浮的速度，最终实现延长AUV在水下工作时间的目的。但是该专利对没有给出AUV执行快速潜浮时所用的精确浮力控制方法，也没有对下潜或上浮过程中AUV竖直姿态变为水平姿态的位置给出更加准确地解释。因此本发明在专利号为201911152439.5公开的专利基础上，设计了一种在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下，快速到达目标深度的精确控制方法，该方法确保了AUV到达目标深度前能够完成竖直姿态到水平姿态的改变，同时设计了深度、速度的双闭环控制方法实现浮力的调节，并对运动过程中的系统扰动进行浮力补偿，增强了AUV的抗干扰能力和动态控制性能，使得无动力式AUV能够快速且准确的到达目标位置。

目前，在无动力的油囊式AUV浮力调节领域，主要涉及到的控制方式有：深度控制、液压泵控制等。例如在《基于浮力调节系统的AUV深度控制研究》一文中提到了将深度计作为测量深度的反馈元件，控制器根据输入信息与反馈信息不断调节浮力调节机构到达目标深度；在《浮力调节系统在作业型AUV上的应用研究》一文中提到了选用深度计作为反馈元件，通过微分计算载体的垂向速度，进而对AUV载体深度进行控制，这两篇文章中都是采用的深度反馈控制回路，但是这种方法针对AUV姿态变换时由于惯性大，反应迟缓而容易出现控制超调的问题；在申请号为201710667016.1的专利中提出了一种油囊式水下滑翔机的浮力精确控制方法，通过建立海洋密度模型，利用控制液压泵转数对油囊排水进行调节，控制AUV在任意深度下浮力与重力达到平衡，但这种方法会造成AUV在目标深度处频繁的调整。因此，本发明在建立了海水密度剖面模型、关于深度的AUV体积的模型以及AUV的湍流计算模型基础上，采用了深度、速度的双闭环控制方法，提前发挥浮力调节机构的作用，在解决调节过程中浮力调节延迟的同时，对运动过程中的系统扰动进行浮力补偿，提高了AUV下潜或上浮到目标深度的稳定性与准确性，避免了AUV的频繁调整。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法，能够在不使用主推进器、辅助推进器等推进机构的条件下控制AUV无动力快速下潜或上浮到目标深度且实现姿态控制。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：建立关于深度的海水密度剖面模型并对其校正，输出不同深度下的海水密度ρ，通过高阶多项式的拟合得到不同深度下AUV耐压壳体的体积变化公式，输出不同深度下的航行器体积V₀，得到AUV不同纵倾角下的迎流面积S，确定AUV的流体阻力，规定流体阻力方向向上为正值；

步骤二：设置油泵的转速，控制AUV在不断下潜或上浮的过程中调整姿态由水平变为垂直，并由惯性导航系统反馈得到AUV的纵倾角值，记录AUV姿态由水平变为竖直状态的时间t；

步骤三：当AUV姿态调整为竖直后，通过惯性导航系统与深度计两种速度测量方式加权融合的方法计算出AUV近似匀速运动的速度v；

步骤四：确定AUV安全姿态变化点位置，当运动到距离目标高度h处时，再次控制浮力调节机构进行姿态和浮力的调整，减小AUV的垂向运动速度并控制其姿态转为水平；

步骤五：到达姿态变化点的深度后，采用深度与速度的双闭环控制方法对AUV进行姿态调整和浮力调节，使姿态由竖直变位水平；

步骤六：判断AUV姿态是否调整为水平，如果未调整为水平，返回步骤五；如调整为水平，停止艏、艉耐压油箱之间的油量交换,利用平衡关系式维持AUV为水平姿态的同时利用深度与速度的双闭环控制方法对AUV进行浮力调节；

步骤七：判断AUV姿态是否悬停到目标深度，如未到目标深度，返回步骤六；如达到，结束方法。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤三中的AUV近似匀速运动的速度v为：

v＝μv₁+(1-μ)v₂，0≤μ≤1

其中，v₁是通过对惯性导航系统中测得的加速度对时间进行积分，并把它变换到导航坐标系中得到的垂直方向速度，v₂是通过单位时间内的深度变化量与单位时间的比值计算得到的垂直方向速度，μ是两种计算垂直方向速度的分配比例。

2.步骤五具体为：

首先，利用AUV的当前深度H及目标深度H_d求得深度偏差e_H＝H-H_d，

然后，对深度偏差e_H进行处理，确定航行器的期望垂直速度v_d；

利用扩张状态观测器对垂直运动过程中的总扰动量进行估计，其公式为：

其中,z₁为AUV前一次控制中当前垂直速度的估计值，z₂为AUV前一次控制中当前垂直速度导数的估计值，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，

为z₁、z₂、z₃的微分形式，v_a表示AUV当前的实际垂直速度，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率估计值，u₁表示AUV前一次控制过程中净浮力变化量，β₁、β₂、β₃为扩张状态观测器的估计性能参数，e、ξ、δ为fal非线性函数的的设计参数；

对AUV垂直运动的速度偏差e_v＝v_a-v_d以及AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值进行PID控制，确定期望的AUV净浮力控制量，其公式为：

其中：F_净浮力为AUV的净浮力，e_v(k)为AUV的速度偏差量，K_P、K_I、K_D为PID控制参数，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率；

最后，通过AUV的流体阻力值和期望净浮力值计算出对应深度下所需的油囊体积V，从而实现对AUV的浮力调节。

3.步骤六中的平衡关系式为：

L₁*ΔV₁＝L₂*ΔV₂

其中：L₁为艏耐压油箱与重心的距离，L₂为艉耐压油箱与重心的距离，ΔV₁、ΔV₂分别为艏耐压油箱和艉耐压油箱的剩余油量体积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明对AUV以竖直姿态下潜或上浮运动过程中的最大速度进行了计算，并对油泵的转速进行了设定，记录了AUV由水平姿态变化为竖直姿态的时间，对到达目标深度前的姿态改变过程给出相对明确且充足的运动距离，以实现到达目标深度前竖直姿态到水平姿态的改变；2、本发明在原有的深度闭环控制基础上，引入了速度反馈，形成了深度与速度的双闭环控制方法，同时利用非线性扩张状态观测器对下潜或上浮过程中受到的海洋环境干扰进行了浮力补偿，增强了AUV的抗干扰能力和动态控制性能，在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下更加准确地快速下潜或上浮到目标深度。

附图说明

图1是本发明中下潜过程的实施演示示意图；

图2是本发明下潜或上浮过程中浮力调节流程图；

图3是本发明中无动力式快速潜浮AUV浮力调节的控制结构框图；

图4是本发明深度与速度双闭环控制过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1，以下潜过程为例对无动力式快速潜浮AUV的浮力精确控制方法做进一步演示和详细的描述：

当AUV通过无线电台和无线电天线接收到远程控制中心发来的预设下潜经纬度位置、目标深度等参数后，借助北斗卫星定位系统AUV在近海面自主航行至预设下潜区域，然后在不使用主推进器、辅助推进器等推进机构的条件下开始无动力下潜；在下潜阶段Ⅰ中，通过控制浮力调节机构对AUV进行姿态由水平变为竖直的调整，同时减小AUV受到的浮力，使其不断下潜，最后记录阶段Ⅰ中AUV姿态由水平变为竖直的调整时间t；当AUV姿态变为竖直后，就进行下潜的阶段Ⅱ，阶段Ⅱ中AUV以竖直姿态下潜，随着AUV受到的流体阻力随着下潜速度的增加而不断增加以及海水密度不断增加等因素的影响，导致AUV净浮力不断减小，直至以速度v达到近似匀速运动状态；当AUV下潜到目标深度上方h(h＝vt)处时，开始下潜阶段Ⅲ，在阶段Ⅲ开始时采用深度与速度双闭环控制方法同时对姿态和浮力进行调节，控制AUV姿态由竖直变为水平且减小AUV下潜速度，直至AUV完成竖直姿态到水平姿态的转变；当AUV姿态变为水平后，就开始进行下潜阶段Ⅳ，在阶段Ⅳ中继续利用深度与速度的双闭环控制方法进行浮力调节，在维持AUV为水平姿态的同时控制AUV下潜到目标深度。在图1所示阶段Ⅲ与阶段Ⅳ中的深度闭环控制回路中，通过对AUV当前深度H的获取，再通过给定的任务信息得到目标深度H_d，得到深度偏差e_H，利用PID控制确定航行器的期望垂直速度，从而实现对AUV的深度控制；将反馈得到的当前实际垂直速度与期望垂直速度对比，实现对AUV的速度控制；最后利用自抗扰系统对海洋环境干扰进行浮力补偿，从而实现更加精确地到达目标深度。

结合图2的流程图，本发明中AUV快速下潜或上浮到目标深度的工作过程有以下具体步骤：

步骤一:

下潜或上浮前的准备工作包括：根据掌握的目标海域的数据资料，建立一个关于深度的海水密度剖面模型；然后根据先前对作业水域的深度以及水下环境信息的探测，对海水密度剖面模型进行校正，可以根据输入的深度输出对应的海水密度ρ。根据校正后的海水密度剖面模型，利用压强的积分公式得到对应深度的压强，再通过高阶多项式的拟合得到不同深度下AUV耐压壳体的体积变化公式，建立一个关于深度的AUV体积模型，从而根据输入的深度输出对应的航行器体积V₀，进而计算出不同深度下航行器达到重力与浮力平衡时的油囊体积V。通过理论公式法对AUV外形进行理想化的处理，并利用流体计算软件建立湍流计算模型，拟合得到AUV不同纵倾角下的迎流面积S，从而进一步确定AUV垂直运动时的流体阻力，并规定流体阻力方向向上为正值。

步骤二：

首先设置好油泵的转速，然后控制浮力调节机构对AUV姿态和浮力进行调整，控制AUV不断下潜或上浮的同时调整姿态由水平变为垂直。在AUV不断下潜或上浮过程中由惯性导航系统反馈得到AUV的纵倾角值，并记录AUV姿态由水平变为竖直状态的时间t，AUV在时间t内下潜或上浮的速度逐渐增加。

步骤三：

当AUV姿态由水平调整为竖直后，AUV保持竖直姿态下潜或上浮，在这个过程中AUV下潜或上浮的速度越来越快。受到流体阻力随运行速度不断增加以及海水密度不断增加等因素的影响，导致AUV净浮力不断减少直至AUV以速度v达到近似匀速运动状态。

通过惯性导航系统与深度计两种速度测量方式加权融合的方法计算出AUV竖直状态下近似匀速运动的速度v。在竖直下潜或上浮的过程中AUV的垂向速度速度越来越快，受到流体阻力随运行速度不断增加以及海水密度不断增加等因素的影响，导致AUV净浮力不断减少直至AUV达到近似匀速运动状态。由于惯性导航系统在导航过程中，惯性器件内部以及速度的结算过程中难免会出现误差，所以近似匀速运动状态下的速度计算采用惯性导航系统与深度计两种速度测量方式加权融合的方法，其中深度计的测量方式通过单位时间内的深度变化量与单位时间的比值计算得到的垂直方向速度。近似匀速状态下的速度计算公式为：

v＝μv₁+(1-μ)v₂ (0≤μ≤1)

其中，v₁是通过对惯性导航系统中测得的加速度对时间进行积分，并把它变换到导航坐标系中得到的垂直方向速度，v₂是通过单位时间内的深度变化量与单位时间的比值计算得到的垂直方向速度，μ是两种计算垂直方向速度的分配比例，可以根据惯性导航系统中陀螺偏移误差以及加速度计零偏误差进行调整。

步骤四：

确定安全姿态变化点位置。当运动到距离目标高度h(h＝vt)处时，再次控制浮力调节机构进行姿态和浮力的调整，减小AUV的垂向运动速度并控制其姿态转为水平。由于AUV在姿态由竖直变为水平的过程中，航行器净浮力不断减小，所以其速度为逐渐减小的，从而确定在下潜或上浮过程中AUV能够达到的最大垂向速度是v，进而确保AUV在到达目标深度前的下潜或上浮距离h内能够完成竖直姿态到水平姿态的转变。

步骤五：

在下潜或上浮过程中AUV到达姿态变化点的深度后，采用深度与速度的双闭环控制方法对AUV姿态和浮力进行调节，增大AUV浮力的同时调整姿态由竖直变为水平，利用AUV的当前深度H及目标深度H_d求得深度偏差e_H＝H-H_d，然后对深度偏差e_H进行处理，确定航行器的期望垂直速度v_d。

步骤五中采用的深度与速度双闭环控制回路如图3所示，外环实现深度控制，内环实现速度控制。深度控制器采用PID控制策略，通过深度计反馈的AUV当前深度以及给定任务信息中的目标深度，确定AUV的期望垂直速度；通过跟踪微分器对AUV的期望速度进行跟踪，并提取其微分信号；通过扩张状态观测器对AUV前一次控制中当前垂直速度的估计值和当前实际的垂直速度进行处理，获得AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值；利用AUV的期望垂直速度、实际垂直速度和垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，通过PID控制器确定期望的AUV净浮力控制量，最终得到浮力调节所需的油囊体积。

步骤五中采用的深度与速度双闭环控制方法及流程如图4所示：

在步骤401中，通过深度计获得AUV的当前深度H，再通过给定的任务信息得到目标深度H_d，并将航行器的当前深度与目标深度相减，得到深度偏差e_H＝H-H_d。然后在深度偏差量的控制中采用PID控制方法进行处理，确定航行器的期望垂直速度v_d，具体控制过程为：

其中：v_d为AUV的期望垂直速度，e_H(k)为AUV的深度偏差量，K_P、K_I、K_D为PID控制参数。

在步骤402中，利用自抗扰控制的扩张状态观测器对AUV前一次控制中当前垂直速度的估计值v_d、当前实际的垂直速度v_a进行处理，对运动过程中系统的扰动进行动态补偿，获得AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值。对AUV的期望垂直速度v_d与AUV的实际垂直速度v_a进行对比得到AUV垂直运动的速度偏差e_v，

其中当前实际的垂直速度可以通过步骤三中的惯性导航系统与深度计两种速度测量方式加权融合计算得出，从而实现对运动过程中系统扰动的动态补偿，获得AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，其公式为：

其中：z₁为AUV前一次控制中当前垂直速度的估计值，z₂为AUV前一次控制中当前垂直速度导数的估计值，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，

为z₁、z₂、z₃的微分形式，v_a表示AUV当前的实际垂直速度，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率估计值，u₁表示AUV前一次控制过程中净浮力变化量，β₁、β₂、β₃为扩张状态观测器的估计性能参数。fal非线性函数主要起抑制抖动的作用，e、ξ、δ为fal非线性函数的的设计参数，具体形式为：

在步骤403中，通过对AUV的当前期望垂直速度、AUV的实际垂直速度得到AUV垂直运动的速度偏差e_v＝v_a-v_d以及AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值进行PID控制，确定期望的AUV净浮力控制量F_净浮力。其公式为：

其中，F_净浮力为AUV的净浮力，e_v(k)为AUV的速度偏差量，K_P、K_I、K_D为PID控制参数，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率。

在步骤404中，通过AUV的流体阻力值F_阻和期望净浮力值F_净浮力计算出对应深度下所需的油囊体积V，从而实现对AUV的浮力调节。计算公式为：

F_浮＝ρg(V+V₀)

F_净浮力＝Mg-F_浮-F_阻

其中，S是AUV的迎流面积，M是AUV整体的质量，V₀是AUV的体积，V为油囊体积，ρ为海水密度，C为阻力系数，v_a为AUV在下潜或上浮过程中当前的实际垂直速度。

步骤六：

在下潜或上浮过程中，当AUV的姿态由竖直调整为水平后(当AUV姿态调整为水平之后)，停止艏、艉耐压油箱之间的油量交换，只进行艏耐压油箱与油囊以及艉耐压油箱与油囊之间的油量交换，维持AUV为水平姿态的同时调整其浮力，使AUV下潜或上浮到目标深度处。浮力调节方法仍采用步骤五中的深度与速度的双闭环控制方法，但要注意艏耐压油箱与艉耐压油箱中剩余油量体积应该满足AUV为水平姿态下艏耐压油箱与艉耐压油箱中油量的平衡关系式，保证AUV以水平姿态下降到目标深度。根据浮力调节系统中油囊位于AUV重心、两个耐压油箱分别分布于AUV的艏和艉的位置，确定平衡关系式为：

L₁*ΔV₁＝L₂*ΔV₂

其中：L₁为艏耐压油箱与重心的距离，L₂为艉耐压油箱与重心的距离，ΔV₁、ΔV₂分别为艏耐压油箱和艉耐压油箱的剩余油量体积。

综上，本发明提供了一种无动力式快速潜浮AUV的浮力精确控制方法。通过对AUV水平姿态变为竖直姿态的变化时间t的记录以及AUV竖直姿态下近似匀速运动速度的加权融合计算，对到达目标深度前由竖直姿态变为水平姿态的变化过程给出准确且充足的运动距离；在AUV竖直姿态变为水平姿态的下潜或上浮过程中以及AUV以水平姿态下潜或上浮过程中，采用深度与速度双闭环控制方法对浮力调节机构不断调节，并在此基础上利用非线性扩张状态观测器对下潜或上浮过程中受到的海洋环境干扰进行估计并补偿。本发明在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下更加准确地快速下潜或上浮到目标深度。

Claims (1)

1.一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：建立关于深度的海水密度剖面模型并对其校正，输出不同深度下的海水密度ρ，通过高阶多项式的拟合得到不同深度下AUV耐压壳体的体积变化公式，输出不同深度下的航行器体积V₀，得到AUV不同纵倾角下的迎流面积S，确定AUV的流体阻力，规定流体阻力方向向上为正值；

步骤二：设置油泵的转速，控制AUV在不断下潜或上浮的过程中调整姿态由水平变为垂直，并由惯性导航系统反馈得到AUV的纵倾角值，记录AUV姿态由水平变为竖直状态的时间t；

步骤三：当AUV姿态调整为竖直后，通过惯性导航系统与深度计两种速度测量方式加权融合的方法计算出AUV近似匀速运动的速度v；

AUV近似匀速运动的速度v为：

v＝μv₁+(1-μ)v₂，0≤μ≤1

其中，v₁是通过对惯性导航系统中测得的加速度对时间进行积分，并把它变换到导航坐标系中得到的垂直方向速度，v₂是通过单位时间内的深度变化量与单位时间的比值计算得到的垂直方向速度，μ是两种计算垂直方向速度的分配比例；

步骤四：确定AUV安全姿态变化点位置，当运动到距离目标高度h处时，h＝vt，控制浮力调节机构进行姿态和浮力的调整，减小AUV的垂向运动速度并控制其姿态转为水平；

步骤五：到达姿态变化点的深度后，采用深度与速度的双闭环控制方法对AUV进行姿态调整和浮力调节，使姿态由竖直变位水平；

首先，利用AUV的当前深度H及目标深度H_d求得深度偏差e_H＝H-H_d，

然后，对深度偏差e_H进行处理，确定航行器的期望垂直速度v_d；

利用扩张状态观测器对垂直运动过程中的总扰动量进行估计，其公式为：

其中,z₁为AUV前一次控制中当前垂直速度的估计值，z₂为AUV前一次控制中当前垂直速度导数的估计值，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，

为z₁、z₂、z₃的微分形式，v_a表示AUV当前的实际垂直速度，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率估计值，u₁表示AUV前一次控制过程中净浮力变化量，β₁、β₂、β₃为扩张状态观测器的估计性能参数，e、ξ、σ为fal非线性函数的设计参数；

对AUV垂直运动的速度偏差e_v＝v_a-v_d以及AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值进行PID控制，确定期望的AUV净浮力控制量，其公式为：

其中：F_净浮力为AUV的净浮力，e_v(k)为AUV的速度偏差量，K_P、K_I、K_D为PID控制参数，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率；

最后，通过AUV的流体阻力值和期望净浮力值计算出对应深度下所需的油囊体积V，从而实现对AUV的浮力调节；

步骤六：判断AUV姿态是否调整为水平，如果未调整为水平，返回步骤五；如调整为水平，停止艏、艉耐压油箱之间的油量交换,利用平衡关系式维持AUV为水平姿态的同时利用深度与速度的双闭环控制方法对AUV进行浮力调节；

平衡关系式为：

L₁*ΔV₁＝L₂*ΔV₂

其中：L₁为艏耐压油箱与AUV的重心的距离，L₂为艉耐压油箱与AUV的重心的距离，ΔV₁、ΔV₂分别为艏耐压油箱和艉耐压油箱的剩余油量体积；

步骤七：判断AUV姿态是否悬停到目标深度，如未到目标深度，返回步骤六；如达到，结束方法。

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