CN113479304B - 多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有艏艉水平舵的多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统及方法。本发明针对水下拖曳式航行器在执行不同任务或处于同一任务不同阶段时，存在深度机动性高的相对潜浮和纵倾稳定的平行潜浮两种不同潜浮航行模式需求，设计了平行潜浮与相对潜浮可切换的一体化深度控制方法。在该一体化控制方法下，针对不同潜浮模式设计不同的期望纵倾角，并针对不同的任务需求切换平行潜浮或相对潜浮下的期望纵倾角。基于任务预设深度和期望纵倾角，设计了不依赖精确模型和控制参数自适应的水下拖曳式航行器深度反演控制器，通过同时控制艏、艉多水平舵，以实现水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制。

Description

多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度 控制系统及方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，更具体地，涉及一种针对同时具有艏艉水平舵的多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统及方法。

背景技术

自海洋进入立体化观测一来，水下拖曳式航行器被广泛用于海洋数据观测中。该种水下探测方式较AUV水下探测方式系统组成更简单，数据实时性更强且成本更低。拖曳航行器在搭载温盐深仪(CTD)进行数据采集时，在深度面只需进行波浪式运动，对姿态无特殊要求，但对拖曳航行器的深度机动性要求较高。拖曳航行器在搭载高精度海洋磁力计对海底进行石油勘探、管道巡检和考古等任务时，不仅要求进行定高运动，还要求纵倾和横摇处于稳定状态，此时航行器要求在变深的同时还维持纵倾的稳定。因此，拖曳航行器在深度面运动时存在相对潜浮和平行潜浮两种不同的变深运动需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明设计了多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制方法，可根据航行任务的需求或同一任务不同航行阶段的需求进行潜浮模式选择和切换，进而实现拖曳航行器不同模式的变深运动。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

多舵面水下拖曳航行器平行潜浮与相对潜浮的一体化深度控制方法由潜浮模式切换方法和自适应深度反演控制算法两部分组成。潜浮模式切换方法根据航行任务需求选择平行潜浮或相对潜浮两种模式，并根据所选模式确定期望纵倾角的计算方法；基于期望纵倾角和任务预定深度，设计自适应深度反演控制算法实时计算艏、艉多水平舵的舵角，同时跟踪期望纵倾和期望深度。

当拖曳航行器在变深的同时，要求纵倾角稳定，潜浮模式设置为平行潜浮，那么期望纵倾角设置为0度，即θ_d＝0。

当拖曳航行器在变深时，对纵倾角无要求，潜浮模式设置为相对潜浮，期望纵倾角按照一定的制导算法得出。在本发明中，使用视线角制导算法(LOS)构建。计算公式为θ_d＝θ_LOS+α，

其中e_z1为深度误差，

为制导参数，α为航行器垂直面的冲角。

潜浮模式的选择需适应航行任务的需求或同一任务不同航行阶段的需求，潜浮模式的切换仅需调整期望纵倾角的计算方法，无需更改后续的自适应深度反演控制算法。

自适应深度反演控制算法基于模型设计，拖曳航行器的深度通道模型可以描述为式(6)，纵倾通道模型可以描述为式(7)

定义状态变量x₁＝z，

x₃＝θ，

状态方程(6)和(7)表示为：

其中

u＝[α_Hb α_Hs]，d_z和d_θ分别为两个通道的复合干扰。复合干扰的思想是将系统未建模项，时变参数和外界干扰等集总考虑。

设计出的自适应反演控制律为：

其中，深度误差e_z1＝x₁-x_1d，纵倾误差e_θ1＝x₃-x_3d。虚拟控制量

c_z1，c_z2，c_θ1，c_θ2，γ_z和γ_θ分别为控制参数。

和

分别为自适应参数，可以在线估计并补偿包括模型不精确在内复合干扰，因此该控制器不依赖于精确的模型和参数。x_3d的取值为x_3d＝0(平行潜浮)或

(相对潜浮)。

联立(9)和(10)即可求出艏、艉多水平舵的控制舵角u＝[α_Hb α_Hs]。

为了实现上述方法，本发明还提供了一种多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统，包括处理器及控制程序模块；所述处理器用于调用所述控制程序模块，以对艏、艉多水平舵进行控制；所述控制程序模块在被所述处理器调用时执行所述的方法。

附图说明

图1为一体化深度控制方法框图；

图2为多舵面水下拖曳式航行器的结构示意图；

图3a为两种潜浮方式的下潜仿真深度曲线图；

图3b为两种潜浮方式的下潜仿真纵倾曲线图；

图3c为两种潜浮方式的下潜仿真艏水平舵角曲线图；

图3d为两种潜浮方式的下潜仿真艉水平舵角曲线图；

图3e为两种潜浮方式的下潜仿真自适应参数

曲线图；

图3f为两种潜浮方式的下潜仿真自适应参数

曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

多舵面水下拖曳航行器平行潜浮与相对潜浮的一体化深度控制方法由两部分组成，第一部分是潜浮模式切换方法，该方法根据具体的航行需求选择潜浮模式。如果在变深时要求纵倾稳定，则可选择平行潜浮。如当变深时不要求纵倾稳定，则可以选择相对潜浮模式，该方式深度机动性高。两种潜浮模式的切换仅需调整输出的期望纵倾角计算方法即可，对其后的自适应深度反演控制算法不影响，因此构成两种潜浮模式的一体化深度控制方法。

平行潜浮模式要求在变深的过程中期望纵倾在较小的水平，因此直接将期望纵倾角设置为0度，即θ_d＝0。

在相对潜浮模式下，期望纵倾角使用视线角制导算法(LOS)构建。计算公式为

其中e_z1为深度误差，

为制导参数，α为航行器垂直面的冲角。

自适应深度反演控制算法为一体化深度控制方法的第二个部分，该部分输入纵倾误差和深度误差，实时计算艏、艉多水平舵的舵角，同时跟踪两种潜浮方式下的期望纵倾和期望深度。

自适应深度反演控制算法是基于模型设计的算法，所以首先提出拖曳航行器的深度面运动模型。水下拖曳航行器的深度面的运动方程如下：

其中，前两个方程为运动学方程，z为航行器深度，θ为航行器纵倾角。u，w和q分别为纵向速度、垂向速度和纵倾角速度。后两个方程为动力学方程，α_Hb和α_Hs分别为艏、艉水平舵的控制舵角，b_wb，b_ws分别为艏、艉水平舵的垂向力舵效系数，b_qb，b_qs分别为艏、艉水平的纵倾力矩舵效系数，当舵的物理参数(如舵面积、型线等)和航行器参数和状态(如质量、速度、舵布置位置等)确定时，这些舵效系数可以计算出。f_w和f_q分别为由拖曳航行器系统状态(如物理参数质量、湿表面积、表面粗糙度，运动状态速度、纵倾角等)决定的除舵力外的其他所有力(距)的合力和合纵倾力矩，可根据实时状态通过经验公式、计算流体力学等手段计算得出，具体计算方式参见《HANDBOOK OF MARINE CRAFT HYDRODYNAMICS AND MOTIONCONTROL》和《水下机器人》，作者：蒋新松、封锡盛、王棣棠。

对公式(11)进行化简，可以得出式(12)所示的深度通道方程和(13)所示的纵倾通道方程：

其中：f_z＝f_wcosθ-uqcosθ-wqsinθ，b_zb＝b_wbcosθ，b_zs＝b_wscosθ，f_θ＝f_q，b_θb＝b_qb，b_θs＝b_qs。

定义状态变量x₁＝z，

x₃＝θ，

状态方程表示为：

其中

u＝[α_Hb α_Hs]，d_z和d_θ分别为两个通道的复合干扰。复合干扰的思想是将系统未建模项，时变参数和外界干扰等集总考虑。

以深度通道为例，定义深度误差e_z1＝x₁-x_1d，x_1d为期望深度，则：

Step1：定义Lyapunov函数：

取

其中，c_z1为控制参数，e_z2为虚拟控制量，那么

则：

如果e_z2＝0，只需c_z1>0，即可满足

为此需要进一步设计，保证虚拟控制量e_z2收敛到0。

Step2：定义Lyapunov函数：

设计控制律：

其中，c_z2为控制参数，

为自适应干扰补偿项。

记

为复合干扰的d的估计值，估计误差

(假设复合干扰d的变化率相对于

的变化率较小，认为

)。

将式(20)带入(19)中得：

其中，当

为正定矩阵时，即c_z1>0，

二次型

对于任意的

都满足

如果

即控制律中的补偿项

完全可以抵消复合干扰d_z，即可满足

现需保证

进行第三步设计。

Step3：定义Lyapunov函数

上式中，当自适应补偿参数

满足

即可保证

满足Lyapunov稳定性证明。

所以深度通道的自适应反演控制律为：

同理，定义纵倾误差e_θ1＝x₃-x_3d，x_3d为期望纵倾。取虚拟控制量

c_θ1为控制参数。定义

为自适应干扰补偿项，且满足

γ_θ为控制参数。那么纵倾通道的自适应反演控制律为：

联立两个通道的控制律(22)和(23)即可求解出艏、艉多水平舵的控制舵角u＝[α_Hbα_Hs]，实现同时对期望纵倾和期望深度的跟踪。

其中，x_3d的取值为x_3d＝0(平行潜浮)或

(相对潜浮)。自适应参数可以实时估计包括模型不精确在内的复合干扰，并实时补偿，因此该控制器不依赖于精确的模型和参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制方法，其特征在于：

所述多舵面水下拖曳式航行器的一体化深度控制方法由潜浮模式切换方法和自适应深度反演控制算法组成；

所述一体化深度控制方法包括：

所述潜浮模式切换方法根据航行任务需求选择平行潜浮或相对潜浮两种模式，并根据所选模式确定期望纵倾角的计算方法；

所述自适应深度反演控制算法通过调整多舵面水下拖曳式航行器的艏、艉多水平舵的舵角，同时跟踪期望纵倾和期望深度；

所述自适应深度反演控制算法基于模型设计，多舵面水下拖曳航行器的深度通道模型可以描述为式(1)，纵倾通道模型可以描述为式(2)：

其中，z为航行器深度，θ为航行器纵倾角，α_Hb和α_Hs分别为艏水平舵的舵角和艉水平舵的舵角，b_zb、b_zs、b_θb和b_θs是由拖曳航行器自身属性以及运动状态决定的舵角控制系数，为变量；f_z和f_θ是由拖曳航行器自身属性以及运动状态决定的变量，根据实时状态计算；

基于所确定的期望纵倾角，结合任务设定的期望深度，基于多舵面水下拖曳式航行器模型，通过带入自适应深度反演控制算法，对水下航行器艏、艉多水平舵进行实时控制，进而实现水下航行器在不同潜浮模式下的一体化深度控制；所述自适应深度反演控制算法如下：

定义状态变量x₁＝z，

x₃＝θ，

状态方程表示为：

其中，

u＝[α_Hb α_Hs]，d_z和d_θ分别为两个通道的复合干扰，复合干扰是将系统未建模项、时变参数和外界干扰集总考虑；

设计出的自适应反演控制器为：

其中，深度误差e_z1＝x₁-x_1d，纵倾误差e_θ1＝x₃-x_3d，虚拟控制量

c_z1，c_z2，c_θ1，c_θ2，γ_z和γ_θ分别为控制参数；

和

分别为自适应参数，在线估计并补偿复合干扰；

联立式(4)和(5)即可求出艏、艉水平舵的控制舵角u＝[α_Hb α_Hs]。

2.如权利要求1所述的一种多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制方法，其特征在于：

当选择平行潜浮模式时，所述多舵面水下拖曳式航行器的期望纵倾角设置为0度，即θ_d＝0，通过自适应深度反演控制算法同时调整艏、艉多水平舵，使航行器纵倾角保持为0，同时利用艏、艉多水平舵为航行器跟踪期望深度提供升力。

3.如权利要求2所述的一种多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制方法，其特征在于：

当选择相对潜浮模式时，期望纵倾角通过视线角制导LOS构建，即θ_d＝θ_LOS+α，

其中，e_z1为深度误差，

为制导参数，α为航行器垂直面的冲角；自适应深度反演控制算法同时调整艏、艉多水平舵，调整多舵面水下拖曳式航行器的俯仰姿态跟踪期望纵倾角θ_d，进而通过航行器本体为航行器跟踪期望深度提供升力，实现较高的机动性潜浮运动。

4.如权利要求3所述的一种多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制方法，其特征在于：

所述一体化深度控制方法通过不同期望纵倾角的计算方法，实现平行潜浮和相对潜浮的模式切换，然后使用同一个自适应深度反演深度控制算法实现期望纵倾和期望深度的同时跟踪控制。

5.一种多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统，其特征在于，具体包含处理器及控制程序模块；所述处理器用于调用所述控制程序模块，以对艏、艉多水平舵进行控制；所述控制程序模块在被所述处理器调用时执行如权利要求1、2、3任一项所述的方法。

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