CN112591059B - 水下航行器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声定位技术领域，涉及一种水下航行器控制方法及装置。一种水下航行器控制装置，包括：第一舵翼和第二舵翼，第一舵翼和第二舵翼设置在舵翼旋转机构上，所述舵翼旋转机构带动第一舵翼和第二舵翼实现旋转动作，所述第一舵翼和第二舵翼可分别绕自身的舵轴实现旋转动作。本发明提出一种水下航行器控制方法及装置，既可使水下航行器的灵活性得以大幅提高，也可以在必要时对其横摇实施主动控制，从而满足其进行水下作业的各种需求。

Description

水下航行器控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，涉及一种水下航行器控制方法及装置。

背景技术

水下航行器是开发海洋的重要设备，广泛应用于海洋环境探测等领域。水下航行器包括载人水下航行器(如潜艇等)和无人水下航行器(如AUV、水下滑翔机等)。目前，对水下航行器的操控普遍依靠艏舵和尾舵。艏舵分为艏端艏舵和围壳舵；尾舵分为“十”、“X”、“H”、“木”和“Y”形等。不同的舵的类型给水下航行器带来的操纵性能和机动性能都有所不同，下面以尾舵为例分别予以简单介绍：

顾名思义，“十”形尾舵就是由一对水平和垂直布置的舵组成(如图1所示)。操控方式为：水平舵控制上浮和下潜运动，垂直舵控制左右航行方向，但对横滚运动不加控制。这种控制方式结构简单，伴流场均匀平顺，有利于减小了附体阻力，提高操纵效率，改善推进性能，现代潜艇大多采用这种布置方式。

“X”形尾舵的实质是“十”形尾舵的变形，是指四个尾翼呈“X”字型正交布置，舵轴中心线与艇的纵中对称成45°的操纵面。采用“X”这种方式布置有利于提高近海浅水中尾部的安全性，因为“X”形尾舵能满足不超宽和不超出基线的前提下，相对于“十”字形尾鳍有更大的展弦比，故此提高了操纵能力和效率。此外，“X”形控制面能有效减小回转时的横倾角，大大减少尾舵卡舵时造成的严重后果，提高了水下航行器的安全性和水下抗沉性。可见“X”形尾舵的机动性相对较好，尤其适用于在沿海多岛屿的浅水中活动的水下航行器。

上述两种基本的尾舵布置形式，均难以实施对横滚(或横摇)进行控制。“十”形尾舵的控制方式虽然结构简单，只利用水平舵控制上浮和下潜运动，垂直舵控制左右航行方向，但是，其每一对尾舵(即水平舵或垂直舵)只能作同步转动，因此无法实现对水下航行器的横滚(或横摇)运动进行控制。

“X”形尾舵虽然其机动性相对较好，但由于它与“十”形尾舵分别利用水平舵和垂直舵进行升潜和左右航向的控制方式不同，“X”形尾舵的每个舵都有着控制浮力与转向的功能，因此需要四套操舵系统，操纵起来较为复杂，相应的机械结构也较为复杂，造价较高；此外，其尾舵所产生的力和力矩对水下航行器的运动姿态影响十分复杂。

上述两种基本的尾舵布置形式，均难以对水下航行器的横滚(或横摇)实施控制。为了加大横摇阻尼，或出于减小高速转向时的横倾和横摇，在上述两种基本的尾舵形式上派生出了所谓的“H”和“木”形尾舵，试图以被动的方式加大水下航行器的横向稳定性。然而，这些派生出来的布置形式均大大增加了水下航行器的操控复杂度，造价更为昂贵；更重要的是，这些控制方式并不能彻底解决水下航行器的横摇问题，因为这样做只是出于加大横摇阻尼为目的，被动地加大水下航行器的横向稳定性，而没有对水下航行器实施主动的减摇控制。

实际上，对横滚(或横摇)加以控制有两个目的：第一，出于减摇为目的，产生相应的反横倾力矩以抑制水下航行器作横滚运动，确保水下航行器在水下巡航作业时保持稳定；第二，出于提高水下航行器灵活性为目的，专门创造横倾力矩，以控制水下航行器作翻滚等复杂的动作。很明显，上述所有的这些尾舵布置形式，既无法彻底解决水下航行器的横摇问题，也难以做到自由地、随意地操控水下航行器在水下作翻滚等复杂的空间运动，从而使水下航行器的灵活性大打折扣。

发明内容

本发明提出一种水下航行器控制方法及装置，既可使水下航行器的灵活性得以大幅提高，也可以在必要时对其横摇实施主动控制，从而满足其进行水下作业的各种需求。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种水下航行器控制装置，其特殊之处在于，包括：

第一舵翼和第二舵翼，第一舵翼和第二舵翼设置在舵翼旋转机构上，所述舵翼旋转机构带动第一舵翼和第二舵翼实现旋转动作，

所述第一舵翼和第二舵翼可分别绕自身的舵轴实现旋转动作。

进一步地，上述第一舵翼和第二舵翼对称设置在舵翼旋转机构上。

进一步地，上述第一舵翼与第二舵翼之间的相对位置恒定。

进一步地，上述第一舵翼与第二舵翼分别由各自对应的舵翼舵机驱动，第一舵翼与第二舵翼可在各自的舵翼舵机驱动下独立地绕自身的舵轴旋转。

一种水下航行器，其特殊之处在于，包括水下航行器主体，所述水下航行器主体上设有上述水下航行器控制装置。

进一步地，上述水下航行器控制装置安装在水下航行器的中段靠近重心的位置。

进一步地，上述水下航行器控制装置作为尾舵安装在水下航行器末端靠近螺旋桨的位置。

一种水下航行器的航向和姿态控制方法，其特殊之处在于，

以水下航行器主体的纵轴线为X轴、第一舵翼和第二舵翼的舵轴连线为Y 轴，并按右手法则建立一个参考坐标系(OXYZ)，以此坐标系为参考，在水下航行器的前进过程中，控制舵翼旋转机构带动两个舵翼绕水下航行器主体(X轴) 旋转：

a)使第一舵翼和第二舵翼所在的平面(XOY)与水平面平行，该对舵翼的作用与“十”形尾舵的水平舵效果相同，同步(且同向)调节两个舵翼绕它们的舵轴(Y轴)旋转，则可以控制水下航行器的垂直面运动，即上浮和下潜运动；

b)使第一舵翼和第二舵翼所在的平面(XOY)与垂直面平行，该对舵翼的作用与“十”形尾舵的垂直舵效果相同，同步(且同向)调节两个舵翼绕它们的舵轴(Y轴)旋转，则可以控制水下航行器的水平面运动，即左右航向运动；

c)使第一舵翼和第二舵翼由舵翼旋转机构带动旋转至与水平面呈一定的夹角时，同步(且同向)调节该对舵翼绕它们舵轴(Y轴)的旋转角度，则可以控制水下航行器进行空间自由运动；

d)使控制第一舵翼和第二舵翼不同步地绕它们各自的舵轴(Y轴)旋转，由于两个舵翼的舵角不同而产生出不同的升力，因此会在水下航行器主体的左右两侧产生一个横倾力矩，从而可迫使水下航行器作横滚运动(或利用该力矩来抑制其横滚运动)。

本发明的优点：

本发明提出的对水下航行器的航向和姿态的控制方法及装置，既可使水下航行器的灵活性得以大幅提高，也可以在必要时对其横摇实施主动控制，从而满足其进行水下作业的各种需求；本发明只设有一对对称布置的舵翼，总共只需要配置三个舵机(2个舵翼舵机和1个旋转舵机)即可实现对水下航行器进行灵活的操控，减轻水下航行器的重量和体积，达到了节能减阻和提高效率的效果。

附图说明

图1为现有的“十”形尾舵布置示意图；

图2为本发明水下航行器示意图；

图3为图2的前视图；

图4为本发明舵翼旋转机构带动两舵翼绕水下航行器主体旋转的示意图；

图5为本发明利用左右两舵翼作不同步运动对横摇实施控制的示意图。

其中：1、第一舵翼，2、第二舵翼，3、水下航行器主体，4、舵翼旋转机构。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

一种水下航行器控制装置，包括第一舵翼1和第二舵翼2，第一舵翼1和第二舵翼2设置在舵翼旋转机构4上，所述舵翼旋转机构4带动第一舵翼1和第二舵翼2实现旋转动作，所述第一舵翼1和第二舵翼2可分别绕自身的舵轴实现旋转动作。

作为本发明的一个优选方案，所述第一舵翼1和第二舵翼2对称设置在舵翼旋转机构4上。所述第一舵翼1与第二舵翼2之间的相对位置恒定。

作为本发明的一个优选方案，所述第一舵翼1与第二舵翼2分别由各自对应的舵翼舵机驱动，第一舵翼1与第二舵翼2可在各自的舵翼舵机驱动下独立地绕自身的舵轴旋转。

本发明中，可通过外啮合齿轮运动机构、内啮合齿轮运动机、齿轮-齿条运动机构、带传动或者液压等方式来驱动舵翼旋转机构4，使两舵翼绕水下航行器的轴线旋转。舵翼的形状对升力存在相当大的影响，本发明所述装置的舵翼的形式(包括形状、大小等)可以多种多样，而并不限于附图所示的情况。

一种水下航行器，包括水下航行器主体3，所述水下航行器主体3上设有上述的水下航行器控制装置。

作为本发明的一个优选方案，所述水下航行器控制装置安装在水下航行器主体3的中段靠近重心的位置。

当然，所述水下航行器控制装置也可以作为尾舵安装在水下航行器主体3 末端近螺旋桨位置，具体的安装位置要视水下航行器的设计需求来定。若安装在末端作为尾舵，则可视为“一”形尾舵(相对于现有的“十”、“X”、“H”、“木”和“Y”形尾舵等而言)。

实施例

一种水下航行器，如图2-5所示，第一舵翼1和第二舵翼2位于水下航行器主体3的两侧，而且呈对称分布安装；第一舵翼1和第二舵翼2之间的相对位置是恒定的，虽然它们相对于水下航行器主体3呈“一”形对称分布，但两个舵翼都与一个舵翼旋转机构4固定安装连接，可同时由舵翼旋转机构4带动绕水下航行器主体3作旋转运动。第一舵翼1和第二舵翼2分别由各自舵翼舵机驱动，因此它们可在各自的舵翼舵机驱动下独立地绕自身的舵轴旋转(舵翼舵机安装在机构内部，图中未示出)。

本发明的控制装置适用于各式水下航行器，因此不受水下航行器主体的种类、大小及形状限制，可以应用于种类潜艇、AUV、ROV等等。附图2所展示的水下航行器主体3只是水下航行器的一个局部位置，目的是便于对本发明的技术方案作示意性的论述。

当水下航行器在螺旋桨推进过程中不断前进，水下航行器的舵翼在流体作用下会产生一定的升力。依靠舵翼升力，身处流体中的水下航行器在不断的前进过程中就能进行各种运动，如水平滑翔、转向、上浮和下潜等。此时，若调整舵翼所处的状态(如改变舵翼角度)，则会改变舵翼周边的升力，从而迫使水下航行器从一种运动状态过渡至另一种运动状态。因此，在水下航行器的前进过程中对舵翼状态进行调控，就能达到对水下航行器的运动状态进行控制的效果。基于这一原理，利用本发明所提出的装置，则可以实现对水下航行器的航向及姿态进行灵活的控制。

一种水下航行器的航向和姿态控制方法，利用本发明所提出的控制装置对水下航行器的航向及姿态进行控制，需要舵翼旋转机构和两个舵翼相互配合、协同工作来实现。为了便于对本发明所述的控制方案进行阐述，如图2所示，以水下航行器主体3的纵轴线为X轴、第一舵翼1和第二舵翼2的舵轴连线为Y 轴，并按右手法则建立一个参考坐标系(OXYZ)。以此坐标系为参考，在水下航行器的前进过程中，控制舵翼旋转机构带动两个舵翼绕水下航行器主体(X轴) 旋转：

1)当两个舵翼所在的平面(XOY)与水平面平行时(如图2所示)，该对舵翼的作用与“十”形尾舵的水平舵效果相同，同步(且同向)调节两个舵翼绕它们的舵轴(Y轴)旋转，则可以控制水下航行器的垂直面运动，即上浮和下潜运动；

2)当两个舵翼所在的平面(XOY)与垂直面平行时，该对舵翼的作用与“十”形尾舵的垂直舵效果相同，同步(且同向)调节两个舵翼绕它们的舵轴(Y轴) 旋转，则可以控制水下航行器的水平面运动，即左右航向运动；

3)当两个舵翼由舵翼旋转机构带动旋转至与水平面呈一定的夹角时(如图 3、4所示)，同步(且同向)调节该对舵翼绕它们舵轴(Y轴)的旋转角度，则可以控制水下航行器进行空间自由运动；

4)当控制两个舵翼不同步地绕它们各自的舵轴(Y轴)旋转时(如图5所示)，由于两个舵翼的舵角不同而产生出不同的升力，因此会在水下航行器主体的左右两侧产生一个横倾力矩，从而可迫使水下航行器作横滚运动(或利用该力矩来抑制其横滚运动)。

需明确的是，对两个舵翼进行不同步操控目的是要对水下航行器的横滚(或横摇)加以控制。一种做法是，根据实际需求给两个舵翼舵机发送不同的指令，人为地调节两个舵翼的舵角差来创造出所需的横倾力矩，以控制水下航行器作翻滚等动作，这样做可以提高水下航行器的灵活性。另一种做法是，根据自动控制原理，利用安装在水下航行器内部的力反馈传感器或者姿态传感器来感知水下航行器的横滚(或横摇)倾向，并通过反馈机制让两个舵翼舵机自动地调节它们各自的舵翼的舵角差，自主地调控两舵翼的横滚力矩以抑制水下航行器的横滚运动，减小水下航行器的横倾角使其在水下航行时保持平稳。

从水下航行器操控的角度来讲，本发明提出的水下航行器控制装置，既可使水下航行器的灵活性得以大幅提高，也可以在必要时对其横摇实施主动控制，从而满足其进行水下作业的各种需求。

除了在操控层面上填补现有技术的不足外，本发明还可以为水下航行器的节能减阻和提高效率带来好处：水下航行器的重力需要和浮力作平衡，因此当其重量增大时需要增加等量的浮力，以便水下航行器的重力和浮力再一次平衡。增大水下航行器的浮力主要通过搭载更多的浮力材料来实现，浮力材料的密度较小，但占用的体积却很大。由于水下航行器的阻力与表面积呈正比，水下航行器重量的增大，会导致水下航行器的体积和表面积的急剧增大，并最终导致阻力的急剧增大。

众所周知，水下航行器的每个(或每对)舵翼都需要舵机来驱动。由于要确保对舵翼的驱动能产生足够的水动力矩以抬升水下航行器，水下航行器(尤其是潜艇)的舵翼舵机通常扭矩较大，因此这些舵机的重量和体积也会较大。很明显，水下航行器的舵翼的数量越多，所需的驱动舵机相应就越多，水下航行器的整体重量和体积就会随之增大；反之，减少舵翼的数量则有利于减少舵机的使用量，从而减小水下航行器自身的重量，进而减小其体积和表面积，最终减小水下航行器的阻力，提高能源的利用效率。比起现有的“十”、“X”、“H”、“木”甚至“Y”形尾舵，本发明只有一对对称布置的舵翼，总共只需要配置三个舵机(2个舵翼舵机和1个旋转舵机)即可实现对水下航行器进行灵活的操控，达到了节能减阻和提高效率的效果。

综上，本发明提出的水下航行器的控制方法及装置，可以解决水下航行器在水下作业过程中航向及姿态的控制问题：1)可以实现水下航行器在推进过程中，对其航向及姿态进行灵活操控，可根据需要操控其完成包括水平滑翔、上浮、下潜、翻滚等各项复杂的水下空间运动；2)可以在一定程度上减轻水下航行器的重量和体积，进而减小水下航行器的阻力并提高能源的利用率；3)配合力反馈传感器或者姿态传感器，可以对水下航行器实施主动式的减摇控制，即通过自主地控制两个舵翼作不同步的动作，使它们产生相应的横倾力矩以抑制水下航行器作横滚运动，确保水下航行器在水下巡航作业时保持稳定(在大多数情况下，需要利用水下航行器搭载摄像头、声呐等设备进行水下成像拍摄或勘探作业，此时水下航行器的巡航必须尽可能地保持平衡，以避免其自身的巡航运动对所搭载的工作设备带来过多干扰)。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种水下航行器的航向和姿态控制方法，其特征在于：

水下航行器包括水下航行器主体(3)，所述水下航行器主体(3)上设有水下航行器控制装置，水下航行器控制装置包括第一舵翼(1)和第二舵翼(2)，第一舵翼(1)和第二舵翼(2)设置在舵翼旋转机构(4)上，所述舵翼旋转机构(4)带动第一舵翼(1)和第二舵翼(2)实现旋转动作，所述第一舵翼(1)和第二舵翼(2)可分别绕自身的舵轴实现旋转动作；所述第一舵翼(1)与第二舵翼(2)分别由各自对应的舵翼舵机驱动，第一舵翼(1)与第二舵翼(2)可在各自的舵翼舵机驱动下独立地绕自身的舵轴旋转；

以水下航行器主体(3)的纵轴线为X轴、第一舵翼(1)和第二舵翼(2)的舵轴连线为Y轴，并按右手法则建立一个参考坐标系OXYZ，以此坐标系为参考，在水下航行器的前进过程中，控制舵翼旋转机构(4)带动两个舵翼绕X轴旋转：

1)使第一舵翼(1)和第二舵翼(2)所在的平面XOY与水平面平行，同步且同向调节两个舵翼绕Y轴旋转，控制水下航行器实现垂直面运动，即上浮和下潜运动；

2)使第一舵翼(1)和第二舵翼(2)所在的平面XOY与垂直面平行，同步且同向调节两个舵翼绕Y轴旋转，控制水下航行器实现水平面运动，即左右航向运动；

3)使第一舵翼(1)和第二舵翼(2)由舵翼旋转机构(4)带动旋转至与水平面呈一定的夹角时，同步且同向调节舵翼绕Y轴的旋转角度，则可以控制水下航行器进行空间自由运动；

4)使控制第一舵翼(1)和第二舵翼(2)不同步地绕Y轴旋转，由于两个舵翼的舵角不同而产生出不同的升力，在水下航行器主体(3)的左右两侧产生一个横倾力矩，实现水下航行器作横滚运动或利用该力矩来抑制其横滚运动。

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