CN112591060A - 一种水下自主航行器x型舵控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下自主航行器X型舵控制方法，属于水下自主航行器控制技术领域，该控制方法能够提高航行器的机动性，使航行器在水面和水下稳定航行。首先取水下自主航行器坐标系Oxyz；设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角，形成X型舵分布；其次将水下自主航行器中舵机系统上电后，舵角指令正常下达，并反馈正常；再次将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上，以Oy轴舵角控制垂直方向运动，Oz轴舵角控制水平方向运动，根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵，得到X型舵与十字舵的舵角转换公式；最后反推X型舵中四个舵角的大小，并对舵角进行限幅，从而实现X型舵的航行控制。

Description

一种水下自主航行器X型舵控制方法

技术领域

本发明涉及水下自主航行器控制技术领域，具体涉及一种水下自主航行器X型舵控制方法。

背景技术

水下自主航行器在水面航行时，垂直舵角上部分受航行器浮力的影响，舵面可能在水面以上，从而影响水面操纵性；水下航行时，在同等舵面积的情况下，X型舵舵效较十字舵有较大的提升，对不超基线的水下航行器而言，有较大的优势，方便航行器布放回收。

目前在水下自主航行器的控制技术领域，针对十字型舵的控制方法较多，如何设计针对X型舵的控制方法，从而更有效地发挥X型舵的舵效，在保证水下自主航行器稳定航行的基础上，提高水下自主航行器的机动性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水下自主航行器X型舵控制方法，能够提高航行器的机动性，使航行器在水面和水下稳定航行。

为了达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1、取水下自主航行器坐标系Oxyz，O为航行器的浮心，Ox沿水下自主航行器的纵轴指向前方，Oy轴垂直于Ox轴指向上方，Oz轴垂直于Ox轴和Oy轴，其方向使坐标系成为右手系；设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角，形成X型舵分布；

步骤2、水下自主航行器中舵机系统上电后，舵角指令正常下达，并反馈正常；

步骤3、将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上，以Oy轴舵角控制垂直方向运动，Oz轴舵角控制水平方向运动，根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵，得到X型舵与十字舵的舵角转换公式；

步骤4、反推X型舵中四个舵角的大小，并对舵角进行限幅，从而实现X型舵的航行控制。

进一步地，根据水下自主航行器的X型舵分布，以右上角舵为δ₁，逆时针依次为δ₂、δ₃、δ₄。

进一步地，步骤3，具体包括如下步骤：

步骤301、定义舵角正负：水下自主航行器的水平舵角为δ_e，水下自主航行器的垂直舵角为δ_r，从艉向艏看，右舵和下舵为正；航行器X型舵分布，以右上角舵为δ₁，逆时针依次为δ₂、δ₃、δ₄，从艉向艏看，δ₁和δ₃右下舵为正，δ₂和δ₄左下舵为正。

步骤302、根据垂直方向和水平方向的受力分析，即航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵，得到：

步骤303、增加横滚控制，X型舵的四个舵对水下自主航行器产生的翻滚力矩对应的差动舵角为δ_d，用于平衡潜航器在水下由于自身衡重所引起的横滚：

步骤304、得到δ_e，δ_r，δ_d与δ₁，δ₂，δ₃，δ₄的关系，即为X型舵与十字舵的舵角转换公式：

进一步地，根据水下自主航行器不同速度，通过实航或仿真试验得到δ_d的值。

进一步地，步骤4，具体包括如下步骤：

步骤401，根据矩阵求逆可推算出X型舵四个舵角的角度值分别为：

步骤402，水下自主航行器的水平舵角δ_e和垂直舵角δ_r的上下限为舵角幅值±δ，以水平舵角δ_e作为基准，水平舵角δ_e的取值范围为[-δ，+δ]，垂直舵角的取值范围为[-(δ-δ_d-δ_e)，+(δ-δ_d-δ_e)]，从而确保δ₁，δ₂，δ₃，δ₄的上下限不超舵角幅值±δ。

有益效果：

本发明适用于水下自主航行器X型舵控制方法，将X型舵投影至水平舵和垂直舵，对航行器的垂向运动、侧向运动和横滚进行控制，并对舵角的限幅进行约束，从而实现平台在水面水下的稳定航行。

附图说明

图1为水下自主航行器X型舵分布图；

图2为本发明提供的水下自主航行器X型舵控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种水下自主航行器X型舵控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、取水下自主航行器坐标系Oxyz，O为航行器的浮心，Ox沿水下自主航行器的纵轴指向前方，Oy轴垂直于Ox轴指向上方，Oz轴垂直于Ox轴和Oy轴，其方向使坐标系成为右手系；设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角，形成X型舵分布；如图1所示航行器X型舵分布，根据水下自主航行器的X型舵分布，以右上角舵为δ₁，逆时针依次为δ₂、δ₃、δ₄。

步骤2、水下自主航行器中舵机系统上电后，舵角指令正常下达，并反馈正常。

步骤3、将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上，以Oy轴舵角控制垂直方向运动，Oz轴舵角控制水平方向运动，根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵，得到X型舵与十字舵的舵角转换公式；该步骤3具体包括如下步骤：

步骤301、定义舵角正负：水下自主航行器的水平舵角为δ_e，水下自主航行器的垂直舵角为δ_r，从艉向艏看，右舵和下舵为正；航行器X型舵分布，以右上角舵为δ₁，逆时针依次为δ₂、δ₃、δ₄，从艉向艏看，δ₁和δ₃右下舵为正，δ₂和δ₄左下舵为正。

步骤302、根据垂直方向和水平方向的受力分析，即航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵，得到：

步骤303、增加横滚控制，X型舵的四个舵对水下自主航行器产生的翻滚力矩对应的差动舵角为δ_d，用于平衡潜航器在水下由于自身衡重所引起的横滚：

根据水下自主航行器不同速度，通过实航或仿真试验得到δ_d的值。

步骤304、得到δ_e，δ_r，δ_d与δ₁，δ₂，δ₃，δ₄的关系，即为X型舵与十字舵的舵角转换公式：

步骤4、反推X型舵中四个舵角的大小，并对舵角进行限幅，从而实现X型舵的航行控制。该步骤4具体包括如下步骤：

步骤401，根据矩阵求逆可推算出X型舵四个舵角的角度值分别为：

步骤402，水下自主航行器的水平舵角δ_e和垂直舵角δ_r的上下限为舵角幅值±δ，以水平舵角δ_e作为基准，水平舵角δ_e的取值范围为[-δ，+δ]，垂直舵角的取值范围为[-(δ-δ_d-δ_e)，+(δ-δ_d-δ_e)]，从而确保δ₁，δ₂，δ₃，δ₄的上下限不超舵角幅值±δ。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下自主航行器X型舵控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、取水下自主航行器坐标系Oxyz，O为航行器的浮心，Ox沿水下自主航行器的纵轴指向前方，Oy轴垂直于Ox轴指向上方，Oz轴垂直于Ox轴和Oy轴，其方向使坐标系成为右手系；设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角，形成X型舵分布；

步骤2、水下自主航行器中舵机系统上电后，舵角指令正常下达，并反馈正常；

步骤3、将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上，以Oy轴舵角控制垂直方向运动，Oz轴舵角控制水平方向运动，根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵，得到X型舵与十字舵的舵角转换公式；

步骤4、反推X型舵中四个舵角的大小，并对舵角进行限幅，从而实现X型舵的航行控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据水下自主航行器的X型舵分布，以右上角舵为δ₁，逆时针依次为δ₂、δ₃、δ₄。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3，具体包括如下步骤：

步骤301、定义舵角正负：水下自主航行器的水平舵角为δ_e，水下自主航行器的垂直舵角为δ_r，从艉向艏看，右舵和下舵为正；航行器X型舵分布，以右上角舵为δ₁，逆时针依次为δ₂、δ₃、δ₄，从艉向艏看，δ₁和δ₃右下舵为正，δ₂和δ₄左下舵为正；

步骤302、根据垂直方向和水平方向的受力分析，即航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵，得到：

步骤303、增加横滚控制，X型舵的四个舵对水下自主航行器产生的翻滚力矩对应的差动舵角为δ_d，用于平衡潜航器在水下由于自身衡重所引起的横滚：

步骤304、得到δ_e，δ_r，δ_d与δ₁，δ₂，δ₃，δ₄的关系，即为X型舵与十字舵的舵角转换公式：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据水下自主航行器不同速度，通过实航或仿真试验得到δ_d的值。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述步骤4，具体包括如下步骤：

步骤401，根据矩阵求逆可推算出X型舵四个舵角的角度值分别为：

步骤402，水下自主航行器的水平舵角δ_e和垂直舵角δ_r的上下限为舵角幅值±δ，以水平舵角δ_e作为基准，水平舵角δ_e的取值范围为[-δ，+δ]，垂直舵角的取值范围为[-(δ-δ_d-δ_e)，+(δ-δ_d-δ_e)]，从而确保δ₁，δ₂，δ₃，δ₄的上下限不超舵角幅值±δ。

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