CN113126633B - 一种轻型长航程auv的零攻角定深航行控制方法 - Google Patents

一种轻型长航程auv的零攻角定深航行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分析及测量控制技术领域，具体涉及一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法；一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：通过当前潜航深度和目标深度差值计算获取目标净浮力和目标俯仰角；分别对所述目标净浮力值和目标俯仰角进行动作解算，得到可变浮力执行机构控制量、可移动滑块和升降舵控制量；若可变浮力执行机构动作，则根据可变浮力执行机构控制量执行动作；若可移动滑块和升降舵动作，则根据可移动滑块和升降舵控制量执行动作。变浮力控制系统根据潜水器实时速度、俯仰角信息估计当前潜水器净浮力，最大程度不依靠先验信息，适用性强，使潜水器实现零净浮力定深航行。

Description

一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法
技术领域
本发明涉及分析及测量控制技术领域，具体涉及一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法。
背景技术
轻型长航程AUV是一种海洋观测型潜水器，此类潜水器的特点是航程长，可实现单次布放多次下潜，适用于大尺度海洋现象观测任务。本发明主要针对此类AUV的零攻角定深航行功能进行讨论。对于深度控制技术，AUV可以通过定压载质量块实现潜水器下潜到目标工作深度，此类方法的特点是简单稳定，但只适用于单次布放单次下潜潜水器。另外，AUV可以通过推进器下潜到目标工作深度，此方法的特点是控制精度高响应快，但控制过程能耗成本高。为此，若同时满足多次下潜及能耗成本，变浮力控制是此类AUV最佳深度控制技术，同时此方案可以实现潜水器在目标深度下零净浮力航行的状态。在俯仰角控制方面，AUV可以通过前后推进器力分配不同的原理实现俯仰角控制，这种控制方法同样存在控制精度高响应快，但控制能耗成本高。此外，AUV可以通过升降舵实现潜水器俯仰角控制，此控制方法响应快，控制能耗低。同时AUV可以通过潜水器内部俯仰滑块移动的方式实现重心变化，进而实现俯仰角调节。后两种方法在俯仰角控制精度和控制能耗方面，均满足轻型长航程AUV设计要求。轻型长航程AUV若在目标工作深度，同时实现零净浮力和零俯仰角航行控制，即可实现高效率零攻角定深航行，另外满足潜水器单次布放多次下潜的技术要求。
发明内容
本发明目的是提供一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行方法，以克服上述现有系统控制过程能耗成本高的缺陷。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，包括以下步骤：
S1:通过当前潜航深度和目标深度差值计算获取目标净浮力和目标俯仰角；
S2:分别对所述目标净浮力值和目标俯仰角进行动作解算，得到可变浮力执行机构控制量、可移动滑块和升降舵控制量；
S3:若可变浮力执行机构动作，则根据可变浮力执行机构控制量执行动作；
若可移动滑块和升降舵动作，则根据可移动滑块和升降舵控制量执行动作。
所述通过当前潜航深度和目标深度差值计算获取目标净浮力和目标俯仰角，具体为：
构建目标净浮力计算器，所述目标净浮力计算器根据AUV深度传感器检测当前潜航深度与设定的目标深度的差值得到目标净浮力；
AUV根据当前航行深度Dn(t)和目标航行深度Dt(t)的差值eD(t)，进行比例计算获取目标俯仰角。
对所述目标净浮力进行动作解算，得到可变浮力执行机构控制量，具体如下：
构建净浮力估计器，所述净浮力估计器根据当前AUV实时采集俯仰角及速度信息进行实时净浮力估计；
根据目标净浮力和实时净浮力估计得到相对浮力变化量，通过对变浮力执行系统进行动作解算，得到变浮力执行系统的控制量，控制变浮力执行系统进行相应动作，实现零净浮力定深控制。
所述目标净浮力的计算方法通过下式实现：
Bt＝f(Dn,Dt)
其中，Bt为目标净浮力，f为当前潜航深度和期望深度计算目标净浮力的函数，Dn为当前潜航深度，Dt为期望深度。
所述目标净浮力计算器采用PID算法，所述目标净浮力的计算方法，具体为：
计算当前潜水器检测深度和期望深度的差值：
eD(t)＝Dn(t)-Dt(t)
Bt(t)＝kpeD(t)+ki∫eD(t)dt+kdeD(t)/dt
其中，kp为比例系数、ki为积分系数、kd为微分控制。
所述实时净浮力Bn估计具体通过下式实现：
Bn＝f(u,w,θ)
其中，f为根据实时前向速度、大地坐标系下实时浮潜速度信息和潜水器实时俯仰角计算实时净浮力的函数，u为潜水器实时前向速度信息、w为大地坐标系下实时浮潜速度信息，θ为潜水器实时俯仰角；
当前净浮力估计器依据系统状态方程近似得到，
Bn(t)＝λu(t)w(t)cosθ(t)
其中，λ为实时净浮力比例系数参数，由潜水器模型计算获得。
对所述目标俯仰角进行动作解算，得到可移动滑块和升降舵控制量，具体为：
对目标俯仰角θt(t)和当前俯仰角θn(t)进行检测，并计算二者差值ep(t)即俯仰角控制误差；
模糊控制器的输入为俯仰角控制误差ep(t)及控制误差变化率
Figure BDA0002345291470000031
控制输出为升降舵PID控制参数kfp1,kfi1,kfd1和可移动滑块PID控制参数kfp2,kfi2,kfd2，计算PID控制器升降舵执行位置R(t)和可移动滑块升降舵执行位置P(t)，并发送至AUV的升降舵执行机构和可移动滑块执行机构执行动作，实现零俯仰角定深航行。
计算获取目标俯仰角通过下式实现：
θt(t)＝αeD(t)
eD(t)＝Dn(t)-Dt(t)
其中，α为目标俯仰角的比例系数，θt(t)为目标俯仰角。
所述计算升降舵PID控制器和可移动滑块PID控制器采用PID算法。
所述计算PID控制器升降舵执行位置R(t)和可移动滑块升降舵执行位置P(t)的方法，具体为：
升降舵PID控制器输入为俯仰角控制误差ep(t)，输出为PID控制器升降舵执行位置R(t)，关系如下：
R(t)＝kfp1ep(t)+kfi1∫ep(t)dt+kfd1ep(t)/dt
可移动滑块PID控制器输入为俯仰角控制误差ep(t)，输出为可移动滑块升降舵执行位置P(t)，关系如下：
P(t)＝kfp2ep(t)+kfi2∫ep(t)dt+kfd2ep(t)/dt。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、变浮力控制系统根据潜水器实时速度、俯仰角信息估计当前潜水器净浮力，最大程度不依靠先验信息，适用性强，使潜水器实现零净浮力定深航行；
2、俯仰角控制系统通过内部可移动滑块和升降舵协同完成对潜水器俯仰角控制。升降舵控制响应快，内部可移动滑块控制精度高，二者协同控制可完成对零俯仰角定深航行的精确快速控制。
附图说明
图1本发明的总体方法流程图；
图2本发明的变浮力控制系统控制框图；
图3本发明的俯仰角控制系统控制框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明以深度参数为控制对象，执行机构包括变浮力执行机构、可移动滑块执行机构和升降舵执行机构。在潜水器定深航行过程中，潜水器根据当前航行深度和目标航行深度的差值计算获取当前目标净浮力值和目标俯仰角，最终通过变浮力执行机构动作实现零净浮力定深控制，通过可移动滑块和升降舵联合动作实现零俯仰角定深控制。轻型长航程AUV同时实现零净浮力定深控制和零俯仰角定深控制，即实现零攻角定深航行。为避免净浮力调节和俯仰角调节相互干扰，上述浮力系统、可移动滑块和升降舵采用错时执行动作，即同一时间段内只存在单一执行机构执行动作，可以防止各个执行机构同时动作存在耦合干扰。
轻型长航程AUV变浮力控制系统的控制目标为深度，如图2所示，主要包含两个部分：目标净浮力计算器和当前净浮力估计器。工作流程为，首先目标净浮力计算器深度信息计算当前系统期望净浮力，当前净浮力估计器根据当前潜水器俯仰角及速度信息对其实时净浮力进行估计，变浮力执行根据实时净浮力估计值及系统期望净浮力值进行相应动作。具体原理如下所述。
目标净浮力计算器根据潜水器深度传感器检测当前潜航深度Dn和期望深度计算Dt得出期望净浮力Bt。
Bt＝f(Dn,Dt)
本发明目标净浮力计算器采用的是经典PID算法，其中eD(t)为潜水器当前检测深度和期望深度的差值。
Bt(t)＝kpeD(t)+ki∫eD(t)dt+kdeD(t)/dt
eD(t)＝Dn(t)-Dt(t)
当前净浮力估计器根据潜水器实时前向速度信息u、大地坐标系下实时浮潜速度信息w以及潜水器实时俯仰角，对潜水器实时净浮力值Bn进行估计。
Bn＝f(u,w,θ)
本发明当前净浮力估计器依据系统状态方程近似得到，其中参数λ由潜水器模型计算获得，为常数。
Bn(t)＝λu(t)w(t)cosθ(t)
当前净浮力通过变浮力执行机构动作解算，实现对变浮力控制系统的控制，最终目标为潜水器实现零净浮力定深航行。
轻型长航程AUV俯仰角控制系统的控制目标为深度。潜水器根据当前航行深度Dn(t)和目标航行深度Dt(t)的差值eD(t)，进行比例计算获取目标俯仰角θt(t)。其中α为比例系数。
θt(t)＝αeD(t)
eD(t)＝Dn(t)-Dt(t)
本发明适用于同时具备内部可移动滑块和升降舵的潜水器系统。图3为轻型长航程AUV俯仰角控制原理框图。俯仰角控制系统主要包含三个模块：模糊控制器，升降舵PID控制器和可移动滑块PID控制器。
首先俯仰角控制系统对目标俯仰角θt(t)和当前俯仰角θn(t)进行检测，并计算二者差值ep(t)，模糊控制器的输入为俯仰角控制误差ep(t)及控制误差变化率
Figure BDA0002345291470000061
控制输出为升降舵PID控制参数kfp1,kfi1,kfd1和可移动滑块PID控制参数kfp2,kfi2,kfd2。
升降舵PID控制器输入为俯仰角控制误差ep(t)，输出为升降舵执行位置R(t)，关系如下：
R(t)＝kfp1ep(t)+kfi1∫ep(t)dt+kfd1ep(t)/dt
可移动滑块PID控制器输入为俯仰角控制误差ep(t)，输出为升降舵执行位置P(t)，关系如下：
P(t)＝kfp2ep(t)+kfi2∫ep(t)dt+kfd2ep(t)/dt
即在航行过程中，轻型长航程AUV通过升降舵执行机构和可移动滑块执行机构共同实现零俯仰角定深航行；
变浮力控制系统可以实现零净浮力定深航行，俯仰角控制系统可以实现零俯仰角定深航行，二者同时对潜水器进行控制即完成零攻角定深航行。

Claims (8)

1.一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过当前潜航深度和目标深度差值计算获取目标净浮力和目标俯仰角；
S2:分别对目标净浮力和目标俯仰角进行动作解算，得到可变浮力执行机构控制量、可移动滑块和升降舵控制量；
对所述目标净浮力进行动作解算，得到可变浮力执行机构控制量，具体如下：
构建净浮力估计器，所述净浮力估计器根据当前AUV实时采集俯仰角及速度信息进行实时净浮力估计；
根据目标净浮力和实时净浮力估计得到相对浮力变化量，通过对变浮力执行系统进行动作解算，得到变浮力执行系统的控制量，控制变浮力执行系统进行相应动作，实现零净浮力定深控制；
实时净浮力Bn估计具体通过下式实现：
Bn＝f(u,w,θ)
其中，f为根据实时前向速度、大地坐标系下实时浮潜速度信息和潜水器实时俯仰角计算实时净浮力的函数，u为潜水器实时前向速度信息、w为大地坐标系下实时浮潜速度信息，θ为潜水器实时俯仰角；
当前净浮力估计器依据系统状态方程近似得到，
Bn(t)＝λu(t)w(t)cosθ(t)
其中，λ为实时净浮力比例系数参数，由潜水器模型计算获得；
S3:若可变浮力执行机构动作，则根据可变浮力执行机构控制量执行动作；
若可移动滑块和升降舵动作，则根据可移动滑块和升降舵控制量执行动作。
2.根据权利要求1所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，其特征在于，所述通过当前潜航深度和目标深度差值计算获取目标净浮力和目标俯仰角，具体为：
构建目标净浮力计算器，所述目标净浮力计算器根据AUV深度传感器检测当前潜航深度与设定的目标深度的差值得到目标净浮力；
AUV根据当前航行深度Dn(t)和目标航行深度Dt(t)的差值eD(t)，进行比例计算获取目标俯仰角。
3.根据权利要求1所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，其特征在于，所述目标净浮力的计算方法通过下式实现：
Bt＝f(Dn,Dt)
其中，Bt为目标净浮力，f为当前潜航深度和期望深度计算目标净浮力的函数，Dn为当前潜航深度，Dt为期望深度。
4.根据权利要求2所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，其特征在于，目标净浮力计算器采用PID算法，目标净浮力的计算方法，具体为：计算当前潜水器检测深度和期望深度的差值：
eD(t)＝Dn(t)-Dt(t)
Bt(t)＝kpeD(t)+ki∫eD(t)dt+kdeD(t)/dt
其中，kp为比例系数、ki为积分系数、kd为微分控制。
5.根据权利要求4所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，对所述目标俯仰角进行动作解算，得到可移动滑块和升降舵控制量，具体为：
对目标俯仰角θt(t)和当前俯仰角θn(t)进行检测，并计算二者差值ep(t)即俯仰角控制误差；
模糊控制器的输入为俯仰角控制误差ep(t)及控制误差变化率
Figure FDA0003537977840000021
控制输出为升降舵PID控制参数kfp1,kfi1,kfd1和可移动滑块PID控制参数kfp2,kfi2,kfd2，计算PID控制器升降舵执行位置R(t)和可移动滑块升降舵执行位置P(t)，并发送至AUV的升降舵执行机构和可移动滑块执行机构执行动作，实现零俯仰角定深航行。
6.根据权利要求5所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，计算获取目标俯仰角通过下式实现：
θt(t)＝αeD(t)
eD(t)＝Dn(t)-Dt(t)
其中，α为目标俯仰角的比例系数，θt(t)为目标俯仰角。
7.根据权利要求5所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，升降舵PID控制器和可移动滑块PID控制器采用PID算法。
8.根据权利要求5所述的一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，计算PID控制器升降舵执行位置R(t)和可移动滑块升降舵执行位置P(t)的方法，具体为：
升降舵PID控制器输入为俯仰角控制误差ep(t)，输出为PID控制器升降舵执行位置R(t)，关系如下：
R(t)＝kfp1ep(t)+kfi1∫ep(t)dt+kfd1ep(t)/dt
可移动滑块PID控制器输入为俯仰角控制误差ep(t)，输出为可移动滑块升降舵执行位置P(t)，关系如下：
P(t)＝kfp2ep(t)+kfi2∫ep(t)dt+kfd2ep(t)/dt。
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