CN112256046A

CN112256046A - 一种水下航行器航向控制方法

Info

Publication number: CN112256046A
Application number: CN202010700354.2A
Authority: CN
Inventors: 彭海涛; 程开猛
Original assignee: Wuhan Rob Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Rob Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-01-22

Abstract

本发明提供一种水下航行器航向控制方法，该方法包括：建立水下航行器的俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程；通过干扰解耦对水下航行器俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程进行极点配置，并设定水下航行器采用状态反馈进行模糊控制；耦合Matlab软件和Starccm软件对水下航行器进行虚拟航行验证。通过该方案解决了现有航行器航向调整响应速度慢的问题，可以实现对航行器快速稳定控制，使航行器的航向角跟踪理论航向角的响应时间大大缩短，并提升航向控制的鲁棒性和自适应性。

Description

一种水下航行器航向控制方法

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，尤其涉及一种水下航行器航向控制方法。

背景技术

水下航行器在跟踪目标过程中，由于目标存在一定程度的机动，航行器也需要相应机动以准确跟踪目标。一般制导指令会给出航行器理论航向角，而实际控制过程中，执行存在一定的延迟，而且航行器的航行角对操舵指令也有一定滞后，为保障航行器准确跟踪目标，需要控制航行器迅速跟踪理论航向角。

实际水下航行中，由于航行器航行参数难以获知，且存在一定的干扰信号，无法通过传递函数准确描述系统，当前基于干扰解耦和极点配置的求解对航行器进行控制，响应速度较慢，难以满足实际需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种水下航行器航向控制方法，以解决现有航行器航向调整响应速度慢的问题。

在本发明实施例的第一方面，提供了一种水下航行器航向控制方法，包括：

建立水下航行器的俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程；

通过干扰解耦对水下航行器俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程进行极点配置，并设定水下航行器采用状态反馈进行模糊控制；

耦合Matlab软件和Starccm软件对水下航行器进行虚拟航行验证。

在一个实施例中，建立水下航行器的旋转动力学方程和旋转运动学方程；基于所述旋转动力学方程和所述旋转运动学方程,分别解算出俯仰通道的状态方程、偏航通道状态方程和横滚通道状态方程，并计算各状态方程对应的干扰量。

在一个实施例中，采用反馈自适应模糊控制方法对水下航行器的俯仰姿态、偏航姿态和横滚姿态进行控制，其中，控制量为水下航行器的舵角。

在一个实施例中，水下航行器横滚通道、俯仰通道和偏航通道经能控性判定后，对横滚通道、俯仰通道、偏航通道中任一控制量进行抑制，实现对剩余两个控制量的解耦控制；在对横滚通道、俯仰通道、偏航通道干扰解耦的前提下，对任意极点配置，实现对水下航行器的航向及航向角速度的控制。

在一个实施例中，基于Sugeno模糊模型，将被控对象的输入和输出分段模糊化，采用模糊推理得到精确控制量，所述被控对象为横滚子系统控制器、偏航子系统控制器或俯仰子系统控制器。

本发明实施例中，通过航行器的旋转动力学方程和旋转运动学方程推导出的俯仰、偏航、横滚通道的状态方程，进而采用状态反馈对航行器俯仰、偏航、横滚通道进行反馈模糊控制，并进行虚拟控制验证，解决了航行器航向调整响应速度慢的问题，通过反馈极点配置能够实现水下航行器的快速稳定控制，大大缩短响应时间，增强控制器的鲁棒性。将被控对象的输入和输出进行分段模糊化，采用模糊推理得到精确的控制量，可以实现系统的良好控制效果。同时，通过耦合Starccm+软件和Matlab软件验证航向控制器的控制性能，对于参数未知、不具备实航实验的条件下的控制方法提供可靠验证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

图1为本发明的一个实施例提供的一种水下航行器航向控制方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的的隶属度函数示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的的数值虚拟航行原理示意图；

图4为本发明的一个实施例提供的的偏航角及偏航角速率变化示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种水下航行器航行控制方法的流程示意图，包括：

S101、建立水下航行器的俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程；

具体的，建立水下航行器的旋转动力学方程和旋转运动学方程；基于所述旋转动力学方程和所述旋转运动学方程,分别解算出俯仰通道的状态方程、偏航通道状态方程和横滚通道状态方程，并计算各状态方程对应的干扰量。

示例性的，在水下航行器坐标系(雷体坐标系)中建立旋转动力学方程：

建立旋转运动学方程：

其中，ψ、θ、

分别表示偏航角、俯仰角、横滚角，

分别表示横滚角速度、偏航角速度、俯仰角速度，

分别表示航行器绕水下航行器(雷体)坐标轴ox_b、oy_b、oz_b的转动惯量，B为航行器(鱼雷)浮力，T为推进器推力，x_b、y_b、z_b为航行器浮心在航行器(雷体)坐标系中坐标，

为航行器所受的流体动力矩在航行器(雷体) 坐标系中的分量。

水下航行器在运动过程中，三个通道相互耦合，对其航向解耦时，可以将通道间的耦合影响作为系统干扰。

水下航行器俯仰通道的状态方程

根据公式(2)可得：

根据公式(1)可得：

联立式(3)和(4)可以得到:

由式(5)可以得到俯仰通道的状态方程为：

其中，干扰量为：

水下航行器偏航通道状态方程

根据公式(2)可得：

根据公式(1)可得：

联立式(7)和(8)可以得到：

由式(9)可以得到俯仰通道的状态方程为：

其中，干扰量为：

水下航行器横滚通道状态方程

根据公式(2)可得：

根据公式(1)可得：

联立式(11)和(12)可以得到:

由式(13)可以得到俯仰通道的状态方程为：

其中，干扰量为：

式中，

作为控制量，与舵角直接相关，f_x、f_y、f_z由通道之间耦合引起，作为干扰量。

S102、通过干扰解耦对水下航行器俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程进行极点配置，并设定水下航行器采用状态反馈进行模糊控制；

水下航行器(如鱼雷)在运动过程中为了保证其拦截率，通过调整航行姿态使航向角能快速跟踪理论弹道所要求的航向角，当航行器航向角速度和弹道切线旋转角速度相等时实际弹道和理论弹道重合。

将航行器的航行过程看作一个系统，所有扰动和未知参数对航行器总体性能的影响最终会体现在航行器(雷体)航行姿态变化上，而航行姿态的调整最终均归结为航行器舵角的调整。优选的，采用反馈自适应模糊控制方法对水下航行器的俯仰姿态、偏航姿态和横滚姿态进行控制，其中，控制量为水下航行器的舵角，输出量为航行姿态。

横滚通道、俯仰通道、偏航通道经能控性判定后，对横滚通道、俯仰通道、偏航通道中任一控制量进行抑制，实现对剩余两个控制量的解耦控制；在对横滚通道、俯仰通道、偏航通道干扰解耦的前提下，对任意极点配置，进而实现对水下航行器的航向及航向角速度准确控制，即可以在系统存在不确定性的情况下对航行器的航向以及航向角速率实现准确控制。

优选的，基于Sugeno模糊模型，将被控对象的输入和输出分段模糊化，采用模糊推理得到精确控制量，所述被控对象为横滚子系统控制器、偏航子系统控制器或俯仰子系统控制器。Sugeno模糊模型的输出隶属度函数为常量或者线性函数，通过对输入和输出量进行分段，进而通过模糊推理实现被控对象的线性控制。对于内部参数未知的系统，将被控对象的输入和输出进行分段模糊化，采用模糊推理进而得到精确的控制量，最终可以实现系统的良好控制效果。

具体的，航行器航向控制干扰解耦过程包括控制系统能控性判断和干扰解耦及极点配置。

示例性的，记

则航行器横滚通道状态方程为：

记x₃＝ψ，

则航行器偏航通道状态方程为：

记x₅＝θ，

则航行器俯仰通道状态方程为：

从航行器俯仰、偏航、横滚通道的状态方程可以看出，在航行器航行过程中三个通道相互耦合，对横滚通道进行管制之后可以对俯仰和偏航通道分别进行解耦控制。在实际航行过程中，航行器的横滚角很小，

航行器在纵平面机动范围较小，因此俯仰角θ＜90°，secθ≠0。

航行器偏横滚道能控性判定：

航行器偏航通道能控性判定：

在航行器横滚通道管制的前提下航行器状态完全可控，可以通过状态反馈进行任意极点配置。

航行器俯仰通道能控性判定：

由式(1)、(2)、(3)，航行器的横滚、偏航、俯仰通道的状态方程均可以表示为形如式(7)所示的系统。

式中x，u，q，y分别为系统状态、输入、干扰以及受控输出。

研究表明干扰系统可解且可以实现任意极点配置的充要条件是

且(A，B)可控。其中Im S表示S的象空间，R^*表示包含于K的最大(A，B) 能控子空间，其中K为输出矩阵C的核空间。

0节已证航行器横滚、俯仰、偏航通道状态完全可控，进而对航行器干扰可解进行分析。

对于航行器的横滚通道，

取受控输出为横滚角，即C＝[1 0]。则可以求解得到：

系统干扰可解且可以实现任意极点配置。

在一个实施例中，横滚子系统控制器设计包括：

航行器(鱼雷)横滚运动会对俯仰通道、偏航通道产生较大影响，为保证自导、引信和控制系统等正常工作，要求横滚角平均值不大于5°，波动幅值不大于15°，进行横滚通道控制器设计时，设横滚角范围为[-15°，15°]，横滚角速度范围为[-100°/s，100°/s]，将横滚角和横滚角速度转换为弧度，即

进行模糊控制器设计时，设置横滚角的论域为，横滚角速度的论域为，模糊子集分别为[NG，ZR，PO]，其隶属度函数如图2所示(a为横滚角速度， b为横滚角)。

将航行器横滚通道状态方程分段线性化，可得7条模糊规则：

1.If x₁ is ZR and x₂ is ZR then

2.If x₁ is ZR and x₂ is NG or PO then

3.If x₁ is NG or PO and x₂ is ZR then

4.If x₁ is PO and x₂ is PO then

5.If x₁ is NG and x₂ is NG then

6.If x₁ is PO and x₂ is NG then

7.If x₁ is NG and x₂ is PO then

则对应的矩阵

选择期望极点为(-10±10i)，求解得到反馈矩阵F₁₁＝F₁₂＝F₁₃＝F₁₄＝F₁₅＝[32 3.2]。

横滚通道模糊控制规则为：

设航行器初始横滚角为15°，横滚角速率为0°/s，对其采用状态反馈控制，可以得到航行器横滚角管制过程中横滚力矩、横滚角、横滚角速度的变化。

采用反馈模糊控制时，航行器的横滚通道具有良好的动态特性，当航行器初始横滚角为15°时，通过反馈模糊控制，航行器的横滚角在0.5s能衰减至0。

在一个实施例中，偏航子系统控制器设计包括：

航行器机动转弯过程中，其偏航角的控制以当前航行器偏航角为基准，根据控制指令进行航向角的控制。航向控制的前提是航向角速率能够迅速根据控制指令的变化跟踪舵角变化。假设一个指令周期要求航行器的航向角相对当前航向改变的范围为[-60°，60°]，偏航角速度范围为[-70°/s，70°/s]。将偏航角和偏航角速度转换为弧度，即

在进行模糊控制器设计时，设置偏航角的论域为[-1.047，1.047]，偏航角速度的论域[-1.222，1.222]，模糊子集分别为[NG，ZR，PO]。

由于航行器俯仰通道和偏航通道控制器实现解耦控制，因此在对偏航通道控制器进行设计时，俯仰通道相关参数置0，即不考虑俯仰通道和横滚通道运动。所以偏航通道状态方程的输入矩阵B₂＝1/J_yb。

偏航子系统模糊规则和线性分段方式与横滚通道采用的方法相同。通过状态反馈，配置得到航行器偏航通道反馈矩阵为 F₂₁＝F₂₂＝F₂₃＝F₂₄＝F₂₅＝[1689.99 168.99]。

假设期望的航行器航向角为5°，初始航向角为15°，在偏航通道反馈模糊控制的基础上，在控制信号中引入参考输入，计算航行器航向角对参考信号的跟踪过程。其中，当航行器初始偏航角为15°，理论偏航角为5°时，航行器在0.5s内可以实现偏航角稳定跟踪理论偏航角。

在一个实施例中，俯仰子系统控制器设计包括：

航行器俯仰通道控制器和偏航通道的设计过程相同。假设一个指令周期要求航行器的俯仰角相对当前俯仰角改变的范围为[-60°，60°]，俯仰角速度范围为[-70°/s，70°/s]。将俯仰角和俯仰角速度转换为弧度，即

在进行模糊控制器设计时，设置俯仰角的论域为[-1.047，1.047]，俯仰角速度的论域[-1.222，1.222]，模糊子集分别为[NG，ZR，PO]。

由于航行器外形对称，且绕oy轴和oz轴转动惯量相同，其控制器形式和偏航通道控制器相同。

S103、耦合Matlab软件和Starccm软件对水下航行器进行虚拟航行验证。

水下航行器(鱼雷)数值虚拟航行是在CFD技术的基础上，以数值求解为核心，对鱼雷的流体动力特性-运动-控制等相互耦合的学科进行一体化计算的技术。数值虚拟航行借助计算机仿真平台，通过计CFD求解器求解鱼雷运动过程中的位置信息和姿态信息并通过外部接口传递给控制器，控制器通过CFD传递的相关信息求解控制信号反馈给CFD求解器，最终获取鱼雷在数值虚拟航行模拟过程中的控制信息和姿态以及位移信息，同时完成鱼雷数值虚拟航行过程的稳定性和非线性，其原理如图3所示。

数值虚拟航行过程中建立的水下航行器模型相当于半实物仿真中使用的鱼雷样机，CFD瞬态求解过程相当于水下航行器水下运动的模拟过程，MPCCI 软件进行耦合Starccm+软件和Matlab仿真平台相当于半实物仿真的接口，数字仿真计算机需要进行水下航行器六自由度航行仿真，控制指令求解以及航行结果后处理。

仿真集成基于MPCCI平台耦合Matlab软件和Starccm+软件，仿真开始前进行系统初始化，给定航行器所需要跟踪的航向角，航行器在控制信号的作用下航行姿态发生变化，由于反馈模糊控制方法求解得到的控制信号时航行器的俯仰、偏航、以及横滚力矩，在进行操舵指令求解时，俯仰、偏航、横滚力矩与水平舵角、垂直舵角、差动舵角的关系作线性处理，即舵角变化和力矩的变化呈线性关系，每个时间步Starccm+和Matlab交换数据，Matlab将求解得到的每个舵的转动角速率传递给Starccm+，从而实现航行器航向角的闭环控制

水下航行器航向角闭环控制验证在水下航行器稳定航行的基础上进行，对偏航角跟踪情况进行验证，水下航行器初始偏航角为0度，假设理论跟踪偏航角为10°，水下航行器的偏航角及偏航角速率变化如图4所示.

可见，水下航行器稳态偏航角10.17°，稳定调整时间为0.7s，具有良好的响应特性。

在本发明实施例中，航行器俯仰、偏航、横滚通道状态完全可控，通过反馈极点配置能够实现航行器的快速稳定控制；采用反馈模糊控制对航行器的俯仰、偏航、横滚通道进行设置，使航行器的航向角能够迅速跟踪理论要求的航向角，响应时间约为0.5s；通过耦合Starccm+软件和Matlab软件进一步验证了通过虚拟航行的方法验证了ATT航向控制器的控制性能，对于参数未知、不具备实航实验的条件下的控制方法验证提供了一种可靠的解决途径。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种水下航行器航向控制方法，其特征在于，包括：

耦合Matlab软件和Starccm软件对水下航行器进行虚拟航行验证。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立水下航行器的俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程具体为：

建立水下航行器的旋转动力学方程和旋转运动学方程；

基于所述旋转动力学方程和所述旋转运动学方程,分别解算出俯仰通道的状态方程、偏航通道状态方程和横滚通道状态方程，并计算各状态方程对应的干扰量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定水下航行器采用状态反馈进行模糊控制包括：

采用反馈自适应模糊控制方法对水下航行器的俯仰姿态、偏航姿态和横滚姿态进行控制，其中，控制量为水下航行器的舵角。

4.根据权利要求1述的方法，其特征在于，所述通过干扰解耦对水下航行器俯仰通道、偏航通道和横滚通道的状态方程进行极点配置，并设定水下航行器采用状态反馈进行模糊控制包括：

水下航行器横滚通道、俯仰通道和偏航通道经能控性判定后，对横滚通道、俯仰通道、偏航通道中任一控制量进行抑制，实现对剩余两个控制量的解耦控制；

在对横滚通道、俯仰通道、偏航通道干扰解耦的前提下，对任意极点配置，实现对水下航行器的航向及航向角速度的控制。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用反馈自适应模糊控制方法对水下航行器的俯仰姿态、偏航姿态和横滚姿态进行控制包括：

基于Sugeno模糊模型，将被控对象的输入和输出分段模糊化，采用模糊推理得到精确控制量，所述被控对象为横滚子系统控制器、偏航子系统控制器或俯仰子系统控制器。