CN115056948B - 无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人水下航行器技术领域，具体涉及一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法及系统。获取无人水下航行器活动范围内的水下环境信息；感知无人水下航行器的实时状态信息；结合预先构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，并输出电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子；根据电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号；根据艉舵位形切换控制信号驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形。能够基于环境探测与状态感知，进行切换决策和控制，提升无人水下航行器的操控性能和风险应对能力。

Description

无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法及系统

技术领域

本发明涉及无人水下航行器技术领域，具体涉及一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法及系统。

背景技术

无人水下航行器(简称UUV)近年来在海洋工程领域大显身手，其应用范围已拓展到多个方向，包括但不限于：水下探测、地形测绘、水产养殖、海事搜救、海洋军事等。要完成上述海洋作业任务，UUV必须具备良好的操控性能。

影响UUV操控性能的最关键因素是UUV的艉舵。目前，常见的UUV艉舵大多采用十字舵位形布置方式，这种位形布置方式中，舵面的布置方向与UUV在水平面和垂直面的控制方向一一对应，控制起来非常简单方便。但十字型艉舵布置方式面临能量消耗大、艉舵舵面突出艇体基线过多、卡舵后基本不具备正常操纵能力等问题，影响UUV操纵的安全性与可靠性。X舵是另一种艉舵布置形式，相较于十字舵位形，X舵位形的四个舵面可以不突出艇体基线，且因为其四个舵面处于分离状态且每个舵面的控制均可以在水平面和垂直面上产生分作用力，因而X舵具备能耗优化操纵以及卡舵下的操控能力。然而，由于X舵的舵面布置方式与艇体运动方向不完全一致，因而存在控制不直观、难度偏大等问题，限制了其在UUV中的推广应用。

综上，十字舵位形与X舵位形均存在各自的优势与劣势，若能将两者结合起来，则可以提升UUV的性能。然而，目前的UUV一般采用单一的艉舵形式，容错控制手段比较单一，应对故障与风险能力有限，限制了UUV在更复杂海洋环境及工况下的应用。

因此，急需开发一套具备十字舵与X舵位形自主切换能力的切换控制系统。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法及系统，能够基于环境探测与状态感知，进行切换决策和控制，提升UUV的操控性能和风险应对能力，且自动化水平高。

本发明的一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，包括：

获取无人水下航行器活动范围内的水下环境信息；

感知无人水下航行器的实时状态信息，所述实时状态信息包括运动状态信息、舵角信息和/或剩余电量信息；

根据无人水下航行器的水下环境信息和实时状态信息，结合预先构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，并输出电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子；

根据电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号；

接收艉舵位形切换控制信号，并根据所述艉舵位形切换控制信号驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形。

较为优选的，根据电量不足风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号包括：

当无人水下航行器的电池剩余电量占总电量的百分比低于设定阈值，且电量不足风险因子P_E小于0，则输出从十字舵位形向X舵位形切换的控制信号，且在切换完成后，不再切换回十字舵位形。

较为优选的，根据危险环境风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号包括：

若危险环境风险因子P_C大于0，则继续保持十字舵位形，不切换；

若危险环境风险因子P_C小于0，且危险环境风险因子P_X大于0，则输出从十字舵位形向X舵位形切换的控制信号，并在危险环境风险因子P_C大于0之后，输出从X舵位形向十字舵位形切换的控制信号；

若危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X均小于0，则放弃当前危险环境工况作业任务，执行回收操作。

较为优选的，根据卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号包括：

若卡舵故障风险因子P_q及卡舵故障风险因子P_r均大于等于0，则继续保持十字舵位形，不切换；

若卡舵故障风险因子P_q或卡舵故障风险因子P_r小于0，则输出从十字舵位形向X舵位形切换的控制信号，且切换完成后，不再换回十字舵位形。

较为优选的，驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形后，还包括：

监测无人水下航行器艉舵位形切换是否到位，若切换到位则反馈位形切换状态信息；

发出艉舵锁定指令至锁定装置，进行艉舵锁定。

较为优选的，所述无人水下航行器知识库存储的数据包括无人水下航行器艇体几何参数、X舵/十字舵位形下的艉部特征参数、无人水下航行器运动控制模型、无人水下航行器运动历史数据、无人水下航行器在典型工作任务下的电量消耗数据。

较为优选的，所述危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X的计算包括：

基于无人水下航行器的当前运动状态以及无人水下航行器知识库中的运动控制模型，利用模型预测算法，预测出无人水下航行器几何中心在未来一段时间的运行轨线；

将无人水下航行器知识库中的无人水下航行器艇体几何参数、X舵/十字舵位形下的艉部特征参数数据与保险系数相乘，分别计算出十字型艉舵最远端距离艇体中心轴线的长度L_C，以及X型艉舵最远端距离艇体中心轴线的长度L_X；

结合无人水下航行器水下环境信息中的复杂地形和障碍信息，基于探测传感器与无人水下航行器几何中心之间的坐标变换关系，计算出最近的障碍物距离无人水下航行器中心轴线的长度L_O；

基于上述参数，根据公式计算危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X。

通过以上方法计算危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X，能更准确的区分危险环境工况，避免了以十字舵位形执行近海底/海沟探测任务会面临的风险。

较为优选的，所述风险评估因子P_q及风险评估因子P_r的计算包括：

根据无人水下航行器知识库中的无人水下航行器运动控制模型，计算出无人水下航行器此时在垂直面和水平面操纵分别所需的控制力矩τ_qd和τ_rd；

根据目前无人水下航行器的运行参数、水动力系数和舵角参数，结合公式τ_qmax＝M₁u²δ₁+M₂u²δ₂、τ_rmax＝N₃u²δ₃+N₄u²δ₄计算出无人水下航行器在垂直面和水平面的最大剩余力矩τ_qmax和τ_rmax；

基于上述参数，结合公式计算风险评估因子P_q及风险评估因子P_r；

其中，M_(*)和N_(*)表示水动力系数，δ₁和δ₂表示无人水下航行器的两个升降舵，δ₃和δ₄表示无人水下航行器的两个方向舵，u表示无人水下航行器前进的速度。

通过以上方法计算风险评估因子P_q及风险评估因子P_r，能准确的判断卡舵故障，从而避免在卡舵故障下继续以十字舵位形执行任务会面临的风险。

本发明还提供一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制系统，包括：

环境探测器，用于获取无人水下航行器活动范围内的环境信息；

状态感知器，用于感知无人水下航行器的运动状态、舵角信息、剩余电量信息；

融合诊断器，用于根据环境探测器和状态感知器发送的信息，结合预先构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，并输出电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子；

切换决策器，用于根据电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号；

切换装置，用于根据艉舵位形切换控制信号驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形。

较为优选的，还包括：

位形切换传感器，用于监测无人水下航行器艉舵位形切换是否到位，若切换到位则向切换决策器反馈位形切换状态信息；

锁定装置，用于在位形切换成功后，接收切换决策器发送的锁止指令，执行艉舵锁定动作。

通过位形切换传感器和锁定装置，可在位形切换成功后对艉舵的形态进行锁定，从而避免UUV运动过程中轴系转动导致艉舵位形不稳。

本发明的有益效果为：实时获取无人水下航行器的水下环境信息和状态信息，并结合提前构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，从而可诊断出电量不足、危险环境、卡舵故障等三种风险情况下，根据三种风险情况做出将艉舵位形在十字舵和X舵之间切换的正确决策，从而利用X舵位形优势，提升UUV控制的安全性与可靠性。提高了UUV应对故障和风险的能力，使无人水下航行器能适用于更复杂的海洋环境及工况。

附图说明

图1为本发明实施例中艉舵位形自主切换控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中融合诊断器进行UUV运行工况风险评估示意图；

图3为本发明实施例中电量不足工况切换决策执行流程示意图；

图4为本发明实施例中危险环境工况切换决策执行流程示意图；

图5为本发明实施例中卡舵故障工况切换决策执行流程示意图；

图6为艉舵位形自主切换控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。

实施例一

图1示出了本申请较佳实施例(图1示出了本申请第一实施例)提供的一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

步骤1，环境探测器和状态感知器通过串口/UDP等通信形式，获取传感器的相关信息，并经过处理分别获取UUV活动范围内的水下环境信息以及UUV的实时运动状态信息、舵角信息、剩余电量等信息；处理完后，由环境探测器和状态感知器将相关信息发送给融合诊断器；

步骤2，融合诊断器接收环境探测器和状态感知器发送的水下环境信息和实时状态信息，结合预先构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，并输出电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子。

步骤3，切换决策器接收融合诊断器发送的三种风险评估因子，并据此做出决策，输出艉舵位形切换控制信号；

步骤4，若切换决策器做出需要进行艉舵位形切换的决策，则发出切换指令给切换装置，以驱动安装四个艉舵电机的轴系按照切换控制指令进行旋转，从而实现十字舵位形和X舵位形之间的切换；

步骤5，切换决策器通过位形切换传感器获取艉舵的位形切换状态，若UUV艉舵位形已切换完成，则发出艉舵锁定指令给锁定装置，完成艉舵的锁定，以避免UUV运动过程中轴系转动导致艉舵位形不稳。

步骤6：重复步骤1至步骤5。

综上，本实施例可面向UUV航行控制过程中常见的电量不足、危险环境、卡舵故障等三种风险工况，提出了一种UUV艉舵位形自主切换控制系统，该系统能够实现风险工况的在线识别及融合诊断，得到量化的风险估算因子，并基于风险评估结果，进行艉舵位形切换及控制。与现有技术相比，本发明能够充分利用十字舵位形和X舵位形的优势，大幅提升UUV的风险应对能力，从而提升UUV在水下航行时的安全性与可靠性。

在一个实施例中，步骤3中根据融合诊断器发送的三种风险评估因子做出决策的过程如下：

电量不足工况切换策略：

若UUV电池剩余电量低于总电量的30％，且电量不足风险因子P_E小于0，则需执行从十字舵位形向X舵位形切换的策略；且切换完成后，不再换回十字舵位形。

危险环境工况切换策略：

1)若危险环境风险因子P_C大于0，则继续保持十字舵位形，不切换；

2)若危险环境风险因子P_C小于0，且P_X大于0，则需执行从十字舵位形向X舵位形切换的策略；当P_C恢复大于0之后，执行从X舵位形向十字舵位形切换的策略；

3)若危险环境风险因子P_C及P_X均小于0，则放弃当前危险环境工况作业任务，执行回收操作。

卡舵故障工况切换策略：

1)若卡舵故障风险因子P_q及P_r均大于等于0，则继续保持十字舵位形，不切换；

2)若卡舵故障风险因子P_q及P_r中有任一数值小于0，则需执行从十字舵位形向X舵位形切换的策略；且切换完成后，不再换回十字舵位形。

在一个实施例中，如图2所示，步骤2中可通过融合诊断器实现电量不足、危险环境、卡舵故障三种风险工况的在线诊断，具体诊断方式如下：

电量不足工况：根据UUV的使命任务及UUV状态，估算UUV任务完成程度；基于UUV电池总容量及当前剩余电量，评估电量剩余情况；基于上述信息开展电量不足风险分析，得到电量不足风险估算因子。以典型的路径跟踪控制任务为例，说明电量不足风险因子计算过程如下：假设路径总长为L_m，当前已完成的路径长度为L_t，UUV电池总电量为E_m，当前剩余电量为E_t，当剩余电量低于总电量的30％时，开始进行电量不足风险因子计算，具体计算公式为：

若电量不足风险因子P_E大于等于0，则表示以十字舵位形继续执行该任务电量充足；若电量不足风险因子P_E小于0，则说明以十字舵位形继续执行该任务可能面临电量不足工况。

危险环境工况：基于UUV的当前运动状态及艇体模型参数，预测出UUV接下来一段时间的运动包络线；基于探测与感知模块获取的复杂障碍物与地形信息构建地形及障碍地图，并评估最近的障碍物位置信息；基于上述因素，开展风险分析，得到危险环境工况风险因子。以典型的海沟/近海底地形勘察任务为例，说明危险环境工况分线评估因子的计算方法如下：首先，基于UUV的当前运动状态以及UUV知识库中的运动控制模型，利用模型预测算法，预测出UUV几何中心在未来一段时间的运行轨线；其次，利用UUV知识库中的UUV艇体几何参数、X舵/十字舵位形下的艉部特征参数等数据，乘以保险系数1.2，分别计算出十字型艉舵最远端距离艇体中心轴线的长度L_C，以及X型艉舵最远端距离艇体中心轴线的长度L_X；再次，结合探测与感知模块获取的海沟/近海底复杂地形和障碍信息，基于探测传感器与UUV几何中心之间的坐标变换关系，计算出最近的障碍物距离UUV中心轴线的长度L_O；最后，基于上述参数，开始进行十字舵和X舵危险环境工况风险评估因子计算，具体计算公式为：

若危险环境风险因子P_C及P_X均大于等于0，则表示以这两种艉舵位形执行近海底/海沟探测任务均不会面临风险；若危险环境风险因子P_C小于0，P_X大于0，则表示以十字舵位形执行近海底/海沟探测任务会面临风险，而以X舵位形执行近海底/海沟探测任务不会面临风险；若危险环境风险因子P_C及P_X均小于0，则表示以这两种艉舵位形执行近海底/海沟探测任务均会面临风险。

卡舵故障工况：基于UUV的舵角控制指令及反馈状态，判断卡舵故障工况，并利用UUV知识库计算卡舵后最大剩余力矩；基于控制模型及算法，计算此时完成UUV控制任务所需实际艉舵力矩；对上述信息进行风险分析，得到卡舵故障风险因子。具体诊断方法如下：首先，根据UUV知识库中的UUV运动控制模型及控制算法，计算出UUV此时在垂直面和水平面操纵分别所需的控制力矩τ_qd和τ_rd；其次，根据目前UUV的运行参数，水动力系数、舵角参数等，计算出UUV在垂直面和水平面的最大剩余力矩τ_q和τ_r，计算方法如下：

τ_qmax＝M₁u₂δ₁+M₂U²δ₂

τ_rmax＝N₃u²δ₃+N₄u²δ₄

在上式中，M_(*)和N_(*)表示水动力系数，δ₁和δ₂表示UUV的两个升降舵，δ₃和δ₄表示UUV的两个方向舵，其中卡舵的舵面为固定舵角，其他几个舵面为在[-30°,30°]范围内任意取值的舵角，u表示UUV前进的速度。在最大剩余力矩的计算过程中，可利用寻优的方法找出最大值。计算出最大剩余力矩后，可以基于上述参数，进行卡舵故障风险因子计算，具体计算公式如下：

若卡舵故障风险因子P_q及P_r均大于等于0，则表示在卡舵故障下继续以十字舵位形执行任务没有风险；若卡舵故障风险因子P_q及P_r中有任一数值小于0，则表示在卡舵故障下继续以十字舵位形执行任务会面临风险。

特别地，本发明所述切换决策器，能够在融合诊断器诊断出电量不足、危险环境、卡舵故障等三种风险情况下，及时做出将艉舵位形在十字舵和X舵之间切换的正确决策，从而利用X舵位形优势，提升UUV控制的安全性与可靠性；并在切换成功后，能够发出艉舵位形锁定的控制指令。

在一个实施例中，电量不足工况切换决策执行流程如图3所示：

步骤1：判断UUV电池剩余电量是否低于总电量的30％，若不低于30％，则不需执行电量不足切换决策，转至步骤4；若剩余电量低于总电量的30％，则进入电量不足工况切换决策环节，转至步骤2；

步骤2：计算电量不足风险因子P_E，若电量不足风险因子P_E小于0，则转至步骤3；若电量不足风险因子P_E大于等于0，则转至步骤4；

步骤3：输出从十字舵位形向X舵位形切换的切换决策；

步骤4：输出不切换的决策；

步骤5：重复上述步骤。

在一个实施例中，危险环境工况切换决策执行流程如图4所示：

步骤1：判断危险环境风险因子P_C是否大于0，若大于0，转入步骤2；若小于0，转入步骤3；

步骤2：判断当前艉舵位形是否为十字舵，若是，则输出不切换的决策；若不是；则输出由X舵切换为十字舵的决策；

步骤3：判断危险环境风险因子P_X是否大于0，若大于0，则转入步骤4；若小于0，则转入步骤5；

步骤4：判断当前艉舵位形是否为X舵，若是，则输出不切换的决策；若不是；则输出由十字舵切换为X舵的决策；

步骤5：放弃当前危险环境工况作业任务，执行回收操作。

步骤6：重复上述步骤。

在一个实施例中，卡舵故障工况切换决策执行流程，如图5所示：

步骤1：判断卡舵故障风险因子P_q是否大于0，若大于0，则转入步骤2；若小于0，则转入步骤3；

步骤2：判断卡舵故障风险因子P_r是否大于0，若大于0，则转入步骤4；若小于0，则转入步骤3；

步骤3：输出从十字舵位形向X舵位形切换的切换决策；

步骤4：输出不切换的决策；

步骤5：重复上述步骤。

实施例二

图6示出了本申请较佳实施例(图6示出了本申请第一实施例)提供的一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种UUV艉舵位形自主切换控制系统，包括：探测与感知模块10、艉舵位形切换决策模块20、切换执行模块30。

所述探测与感知模块10，包括：

环境探测器101，用于利用水下声纳/视频/激光等手段获取UUV活动范围内的复杂地形及障碍物信息；

状态感知器102，用于感知UUV的三维空间运动状态、舵角指令与反馈状态、剩余电池容量等信息。

在本实施例中，探测与感知模块10主要对UUV外部工作环境和自身状态等两方面进行感知。在外部环境探测方面，环境探测器101获取UUV上搭载的声纳/激光/视频等单一或多种传感器信息，经过降噪、滤波、图像融合处理后，形成UUV工作环境信息；在自身状态监测方面，状态感知器102通过惯导、DVL等导航设备获取UUV运行速度、姿态、位置信息，通过网络通信获取UUV电池剩余电量信息以及舵角控制指令，通过舵角监测机构获取实时舵角信息；环境探测器101和状态感知器102获取的上述信息将发送至融合诊断器201，作为UUV运行风险融合诊断的依据。

所述艉舵位形切换决策20部分，包括：

融合诊断器201，用于根据探测与感知模块10获取的水下环境及UUV实时状态信息，结合基于专家经验和前期数据构建的UUV知识库，对UUV的工作状态及潜在风险进行动态评估和融合诊断，其中，UUV知识库存储的数据主要包括UUV艇体几何参数、X舵/十字舵位形下的艉部特征参数、UUV运动控制模型、UUV运动历史数据、UUV在典型工作任务下的电量消耗数据等；

切换决策器202，用于依据融合诊断器的融合诊断结果，做出是否要进行艉舵位形切换的决策。

在本实施案例中，融合诊断器201，能够实现对于电量不足、危险环境、卡舵故障等三种风险工况的在线识别及融合诊断，并得到量化的风险估算因子。切换决策器202能够在融合诊断器201三种风险因子基础上，及时做出将艉舵位形由十字舵向X舵切换的正确决策，从而利用X舵位形优势，提升UUV控制的安全性与可靠性；并在切换成功后，能够发出艉舵位形锁定的控制指令。另外，必须指出的是，电量不足和卡舵故障这两种风险工况一般属于不可逆风险，在由十字舵位形切换为X舵位形后，不再切换回十字舵位形；而危险环境工况属于可逆风险，当危险环境风险接触后，可再将X舵位形切换为十字舵位形。

所述切换执行模块30，包括：

切换装置301，选用安装于轴系末端的旋转电机，用于接收切换决策器202的切换控制指令，驱动安装四个艉舵电机的轴系按照切换控制指令进行旋转，从而实现十字舵位形和X舵位形之间的切换；

锁定装置302，设计为轴系与UUV艉部结构之间的固定电机，用于在位形切换成功后，接收切换决策器202的锁定指令，将安装四个艉舵电机的轴系进行锁定，以避免UUV运动过程中轴系转动导致艉舵位形不稳；

位形切换传感器303，选用微动开关，安装于X舵位形的标志处，用于监测UUV艉舵位形切换是否到位，并向切换决策器202反馈位形切换状态信息。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，其特征在于，包括：

获取无人水下航行器活动范围内的水下环境信息；

感知无人水下航行器的实时状态信息，所述实时状态信息包括运动状态信息、舵角信息和/或剩余电量信息；

根据无人水下航行器的水下环境信息和实时状态信息，结合预先构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，并输出电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子；

根据电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号；

接收艉舵位形切换控制信号，并根据所述艉舵位形切换控制信号驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形。

2.如权利要求1所述的无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，其特征在于，根据电量不足风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号包括：

当无人水下航行器的电池剩余电量占总电量的百分比低于设定阈值，且电量不足风险因子P_E小于0，则输出从十字舵位形向X舵位形切换的控制信号，且在切换完成后，不再切换回十字舵位形。

3.如权利要求1所述的无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，其特征在于，根据危险环境风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号包括：

若危险环境风险因子P_C大于0，则继续保持十字舵位形，不切换；

若危险环境风险因子P_C小于0，且危险环境风险因子P_X大于0，则输出从十字舵位形向X舵位形切换的控制信号，并在危险环境风险因子P_C大于0之后，输出从X舵位形向十字舵位形切换的控制信号；

若危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X均小于0，则放弃当前危险环境工况作业任务，执行回收操作；

所述危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X的计算包括：

基于无人水下航行器的当前运动状态以及无人水下航行器知识库中的运动控制模型，利用模型预测算法，预测出无人水下航行器几何中心在未来一段时间的运行轨线；

将无人水下航行器知识库中的无人水下航行器艇体几何参数、X舵/十字舵位形下的艉部特征参数数据与保险系数相乘，分别计算出十字型艉舵最远端距离艇体中心轴线的长度L_C，以及X型艉舵最远端距离艇体中心轴线的长度L_X；

结合无人水下航行器水下环境信息中的复杂地形和障碍信息，基于探测传感器与无人水下航行器几何中心之间的坐标变换关系，计算出最近的障碍物距离无人水下航行器中心轴线的长度L_O；

基于上述参数，根据公式计算危险环境风险因子P_C及危险环境风险因子P_X。

4.如权利要求1所述的无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，其特征在于，根据卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号包括：

若卡舵故障风险因子P_q及卡舵故障风险因子P_r均大于等于0，则继续保持十字舵位形，不切换；

若卡舵故障风险因子P_q或卡舵故障风险因子P_r小于0，则输出从十字舵位形向X舵位形切换的控制信号，且切换完成后，不再换回十字舵位形；

所述卡舵故障风险因子P_q及卡舵故障风险因子P_r的计算包括：

根据无人水下航行器知识库中的无人水下航行器运动控制模型，计算出无人水下航行器此时在垂直面和水平面操纵分别所需的控制力矩τ_qd和τ_rd；

根据目前无人水下航行器的运行参数、水动力系数和舵角参数，结合公式τ_qmax＝M₁u²δ₁+M₂u²δ₂、τ_rmax＝N₃u²δ₃+N₄u²δ₄计算出无人水下航行器在垂直面和水平面的最大剩余力矩τ_qmax和τ_rmax；

基于上述参数，结合公式计算卡舵故障风险因子P_q及卡舵故障风险因子P_r；

其中，M_(*)和N_(*)表示水动力系数，δ₁和δ₂表示无人水下航行器的两个升降舵，δ₃和δ₄表示无人水下航行器的两个方向舵，u表示无人水下航行器前进的速度。

5.如权利要求1所述的无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，其特征在于，驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形后，还包括：

监测无人水下航行器艉舵位形切换是否到位，若切换到位则反馈位形切换状态信息；

发出艉舵锁定指令至锁定装置，进行艉舵锁定。

6.如权利要求1所述的无人水下航行器艉舵位形自主切换控制方法，其特征在于，所述无人水下航行器知识库存储的数据包括无人水下航行器艇体几何参数、X舵/十字舵位形下的艉部特征参数、无人水下航行器运动控制模型、无人水下航行器运动历史数据、无人水下航行器在典型工作任务下的电量消耗数据。

7.一种无人水下航行器艉舵位形自主切换控制系统，其特征在于，包括：

环境探测器，用于获取无人水下航行器活动范围内的环境信息；

状态感知器，用于感知无人水下航行器的运动状态、舵角信息、剩余电量信息；

融合诊断器，用于根据环境探测器和状态感知器发送的信息，结合预先构建的无人水下航行器知识库进行融合诊断，并输出电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子；

切换决策器，用于根据电量不足风险因子、危险环境风险因子或卡舵故障风险因子输出对应的艉舵位形切换控制信号；

切换装置，用于根据艉舵位形切换控制信号驱动艉舵电机旋转至指定艉舵位形。

8.根据权利要求7所述无人水下航行器艉舵位形自主切换控制系统，其特征在于，还包括：

位形切换传感器，用于监测无人水下航行器艉舵位形切换是否到位，若切换到位则向切换决策器反馈位形切换状态信息；

锁定装置，用于在位形切换成功后，接收切换决策器发送的锁止指令，执行艉舵锁定动作。