CN117930643A - 一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法 - Google Patents

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张英浩
俞健
徐侃
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刘元
刘刚
闵飞炎
羊慧
梁兆伟
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Abstract

本发明提供一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，该包括获取主动侧杆的侧杆位移；判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于侧杆位移与设置的控制参数在第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过第二主动加载力矩调整反向驱动力。本发明适应不同操纵人员对阻尼特性的需求，主动侧杆技术将安全操纵界限，航行状态等信息进行融合保证艇员做出正确的操纵行为。

Description

一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法
技术领域
本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
背景技术
水下载人航行器的主动侧杆技术，可以使艇员在操纵侧杆时有反馈控制力感，进而影响航行器的操纵性能。
目前大多数水下载人航行器的操纵控制系统的侧杆采用纯机械阻尼侧杆，结构简单，可靠性高。但无法适应不同操纵人员对阻尼特性的需求；另一方面，侧杆无法感受到航行器安全操纵界限的操纵限制。
发明内容
本发明提供一种应用于水下载人航行器的侧杆结构及水下载人航行器，用以解决现有技术中水下载人航行器的操纵控制系统无法适应不同操纵人员对阻尼特性的需求，而且无法感受到航行器安全操纵界限的操纵限制的问题。
本发明提供一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，包括如下步骤：
获取主动侧杆的侧杆位移；
判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；
在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；
在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
根据本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，所述控制方法还包括：
获取主动侧杆受反向驱动力驱动的外力；
基于所述外力，修正由所述第一主动加载力矩或所述第二主动加载力矩控制的所述反向驱动力。
根据本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，所述基于所述外力，修正由所述第一主动加载力矩或所述第二主动加载力矩控制的所述反向驱动力的步骤，包括：
在所述外力大于所述反向驱动力时，增加所述反向驱动力；
在所述外力小于所述反向驱动力时，降低所述反向驱动力。
根据本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，所述侧杆位移包括：角位移速率和超出安全操作的界限距离；
所述基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩的步骤，包括：
基于所述角位移速率与所述控制参数生成所述第一主动加载力矩。
根据本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，所述基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩的步骤，包括：
基于所述角位移速率与所述控制参数生成所述第一主动加载力矩；
基于所述界限距离与所述控制参数调整所述第一主动加载力矩，生成所述第二主动加载力矩。
根据本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，所述控制参数包括：安全操纵界限范围内的阻尼系数k0、超出安全操纵界限后的力梯度系数kε和超出安全操纵界限后的附加阻尼系数kd；
所述第一主动加载力矩τ1＝k0ω，所述第二主动加载力矩
其中，ω为所述侧杆位移，e为所述界限距离。
根据本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，所述侧杆结构包括：主动侧杆、侧杆模块、监控模块和控制模块；
所述侧杆模块包括转轴、杆力传感器、力矩电机和编码器；
所述杆力传感器与所述主动侧杆连接，并通过所述监控模块与所述控制模块电连接，用于检测主动侧杆所受所述力矩电机驱动外力，并将外力反馈信号通过所述监控模块发送至所述控制模块；
所述编码器与所述力矩电机电连接，并通过所述监控模块与所述控制模块电连接，所述编码器用于检测所述主动侧杆的所述侧杆位移，用以将所述侧杆位移通过所述监控模块发送至所述控制模块；
所述力矩电机通过所述转轴与所述主动侧杆传动连接，所述控制模块与所述力矩电机电连接，所述控制模块用于根据所述侧杆位移和所述控制参数生成第一主动加载力矩，所述监控模块以通过所述第一主动加载力矩生成控制所述力矩电机控制所述主动侧杆的反向驱动力，并在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限时，所述控制模块在第一主动加载力矩的基础上，通过所述侧杆位移和所述控制参数生成第二主动加载力矩，所述监控模块以通过所述第二主动加载力矩控制所述力矩电机对所述反向驱动力进行调整。
本发明还提供一种侧杆结构的控制系统，包括：
获取模块，用于获取主动侧杆的侧杆位移；
判断模块，用于判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；
第一执行模块，用于在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；
第二执行模块，用于在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
本发明提供的一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，通过获取主动侧杆的侧杆位移；判断水下载人航行器在侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于侧杆位移与设置的控制参数在第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过第二主动加载力矩调整反向驱动力。
该应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法具有多重应用价值，包括：
(1)有助于提升航行操纵安全。主动侧杆技术将安全操纵界限，航行状态等信息进行融合，反馈为侧杆反向驱动力，杆力变化能够提示艇员是否接近或超越了安全操纵范围，再通过仪表显示功能将状态更完整的传达给艇员，保证艇员做出正确的操纵行为。
(2)提升艇员操纵体验和人机工效。侧杆的控制算法，可实现对机构摩擦力补偿，并自适应调节侧杆的相应刚度、阻尼参数，从而调整操纵力感特性，降低操纵负荷，提升操纵体验。
(3)提升潜操系统控制品质。主动操纵技术，自适应调节技术将使得下达的舵杆指令更为平稳、准确和快速，将有效避免指令舵角、指令航向角、指令深度、指令变化速率等参数抖动，从而提升控制品质。
(4)有助于减员增效。主动操作杆技术将水下载人航行器多方面航行态势信息融合到杆位移和杆力中，从而实现单人操艇，减员增效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供一实施例提供的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供一实施例提供的侧杆结构的示意图之一；
图3是本发明提供一实施例提供的侧杆结构的示意图之二；
图4是本发明提供一实施例提供的主动侧杆和侧杆模块的示意图；
图5是本发明提供一实施例提供的监控模块的示意图；
图6是本发明提供一实施例提供的安全操纵界限原理图；
图7是本发明提供一实施例提供的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法的流程示意图之二；
图8是本发明一实施例提供的侧杆结构的控制系统的结构示意图；
图9是本发明提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
1、侧杆模块；11、编码器；12、杆力传感器；13、力矩电机；14、隔离结构；15、深度指令转轴；16、航向指令转轴；17、减速器；18、壳体；19、转轴；2、监控模块；21、旋转变压器；22、电流传感器；23、电机驱动模块；24、监控控制器；25、杆力信号调制电路；26、位移信号调制电路；27、电流信号调制电路；3、控制模块；4、主动侧杆；41、杆体；42、手柄；810、获取模块；820、判断模块；830、第一执行模块；840、第二执行模块；910、处理器；920、通信接口；930、存储器；940、通信总线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图6描述本发明提供的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
如图1所示，该应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法包括如下步骤：
步骤S110：获取主动侧杆的侧杆位移。
步骤S120：判断水下载人航行器在侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限。
步骤S130：在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力。
步骤S140：在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于侧杆位移与设置的控制参数在第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过第二主动加载力矩调整反向驱动力。
具体而言，本实施例中，如图2至图4所示，该应用于水下载人航行器的侧杆结构包括：主动侧杆4、侧杆模块1、监控模块2和控制模块3。杆力传感器12与主动侧杆4连接，杆力传感器12并通过监控模块2与控制模块3电连接，杆力传感器12用于检测主动侧杆4受所述力矩电机驱动外力，并将外力反馈信号通过监控模块2发送至控制模块3。编码器11与力矩电机13电连接，编码器11通过监控模块2与控制模块3电连接，编码器11用于检测主动侧杆4的侧杆位移，用以将侧杆位移通过监控模块2发送至控制模块3。力矩电机13通过转轴与主动侧杆4传动连接，控制模块3与力矩电机13电连接，控制模块3用于根据侧杆位移和控制参数生成第一主动加载力矩，监控模块2以通过第一主动加载力矩控制力矩电机13控制主动侧杆4的反向驱动力，并在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行超过安全操纵界限时，控制模块3在第一主动加载力矩的基础上，通过侧杆位移和控制参数生成第二主动加载力矩，监控模块2以通过第二主动加载力矩控制力矩电机13对反向驱动力进行调整。并且在力矩电机13调整反向驱动力的过程中，能够根据杆力传感器12检测到的力进行比较，以对反向驱动力进行适应性调整，保证输出的力在预设范围内。
具体而言，水下载人航行器的操纵控制指令是由中央操纵控制计算机(控制模块3)生成，该指令操纵水下载人航行器的舵面，进而实现航行器水下运动的深度、航向和姿态。水下载人航行器的舵面包括竖直布置的方向舵和水平布置的升降舵，升降舵可能由一对，或分别布置于水下载人航行器艏艉的二对。
侧杆结构处于主动操纵模式状态下，中央操纵控制计算机将产生额外的反驱力矩指令到主动侧杆4，能够将理想的杆力、杆位移回馈给艇员。
也即，在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行未超过安全操纵界限时，控制模块3用于根据侧杆位移和控制参数生成第一主动加载力矩，监控模块2以通过第一主动加载力矩生成力矩驱动指令，通过力矩电机13控制主动侧杆4的反向驱动力，以给予用户在使用该主动侧杆4控制时一定的反馈，以适应不同操纵人员对阻尼特性的需求。
当航行态势超出安全操纵界限时，增加额外的反驱力，使艇员感受到安全操纵界限的限制，提升水下载人航行器操纵安全。
也即，在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行超过安全操纵界限时，控制模块3在第一主动加载力矩的基础上，通过侧杆位移和控制参数生成第二主动加载力矩，监控模块2以通过调整后的力矩驱动指令控制力矩电机13对反向驱动力进行调整，以在适应不同操纵人员对阻尼特性的需求的基础上，保证艇员做出正确的操纵行为。
安全操纵界限的工作原理如图6所示。安全操纵界限是在直角坐标上描述水下载人航行器的安全操纵态势。其中，横坐标由左到右表示航速的增加，纵坐标由上到下描述深度的增加，坐标平面上任一点对应着一种航行状态。
安全操纵界限的设计思路是，航行器以某航速在某深度航行时，当发生舵卡事件时，考虑到反应时间等因素，操艇控制系统进行应急挽回操纵使得航行器能够安全挽回的最大初始纵倾角度。每条包线包括两条界限，即下潜限制线和上浮限制线，用于对不同深度不同航速条件下的纵倾角进行限制。
为避免实际施加在主动侧杆上的反向驱动力与计算值存在偏差，如图7所示，该控制方法还包括：
步骤S710：获取主动侧杆受反向驱动力驱动的外力。
步骤S720：基于外力，修正由第一主动加载力矩或第二主动加载力矩控制的反向驱动力。
具体而言，并且在力矩电机13调整反向驱动力的过程中，杆力传感器12检测主动侧杆受反向驱动力驱动的外力。
若在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，则根据外力与第一主动加载力矩计算得到的反向驱动力进行比较。
在外力大于第一主动加载力矩计算得到反向驱动力时，增加反向驱动力；在外力小于第一主动加载力矩计算得到反向驱动力时，降低反向驱动力；只有在外力与第一主动加载力矩计算得到反向驱动力相等或者二者之间的差值处于预设范围内时，才停止对反向驱动力的调整。
在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，则根据外力与第二主动加载力矩计算得到的反向驱动力进行比较。
在外力大于第二主动加载力矩计算得到反向驱动力时，增加反向驱动力；在外力小于第二主动加载力矩计算得到反向驱动力时，降低反向驱动力；只有在外力与第二主动加载力矩计算得到反向驱动力相等或者二者之间的差值处于预设范围内时，才停止对反向驱动力的调整。
对于艉舵角的限制，是基于航速范围进行设计的。通常分为低速区、中速区和高速区，在不同分区内艉舵角的最大许用舵角不同。
因此，图中的黑色实线代表不同航速下的安全航行的深度边界，同时对艉升降舵角也做了限制。
当水下载人航行器的航行态势未超过安全操纵界限时，力矩电机13通过侧杆位移和控制参数生成的第一主动加载力矩，监控模块2以通过第一主动加载力矩生成力矩驱动指令，通过力矩电机13控制主动侧杆4的反向驱动力。
当水下载人航行器的航行态势超过安全操纵界限时，控制模块3在第一主动加载力矩的基础上，通过侧杆位移和控制参数生成第二主动加载力矩，监控模块2以通过调整后的力矩驱动指令控制力矩电机13对反向驱动力进行调整。
本实施例中，侧杆位移包括：角位移速率和超出安全操作的界限距离。基于侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩的步骤，包括：基于角位移速率与控制参数生成第一主动加载力矩。
基于侧杆位移与设置的控制参数在第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩的步骤，包括：基于角位移速率与控制参数生成第一主动加载力矩；基于界限距离与控制参数调整第一主动加载力矩，生成第二主动加载力矩。
控制参数包括：安全操纵界限范围内的阻尼系数k0、超出安全操纵界限后的力梯度系数kε和超出安全操纵界限后的附加阻尼系数kd；
第一主动加载力矩τ1＝k0ω，第二主动加载力矩其中，ω为侧杆位移，e为界限距离。
换言之，主动侧杆作用于操纵人员人手的力矩计算如公式(1)所示：
其中，ω为主动侧杆的角位移速率，e为水下载人航行器超出安全操纵界限距离。k0，ke和kd为主动侧杆内置的力控制参数。
本实施例中，k0，ke和kd为根据用户设置的参数，在此情形下，使用者也可根据需要自由调整参数。
在另一实施例中，主动侧杆4内置的力控制参数包括k0，ke和kd，其中阻尼系数k0为安全操纵界限范围内的阻尼系数，ke为超出安全操纵界限后的力梯度系数，kd为超出安全操纵界限后的附加阻尼系数。这三个参数通过监控模块2内置人感系统模型，进行自适应调节，调节原理如下图所示。
参数调节的目标是使得驾驶员诱发振荡(Pilot Induced Oscillation,PIO)最小,驾驶员诱发振荡是由于特定的水下操纵任务，操艇人员被迫采取粗暴的操纵方式，发出快速往复操纵指令，从而引起控制指令的振荡。
基于实时PAC(Phase Aggression Criterion)准则进行PIO测定。PAC判定准则通过侧杆产生的操纵指令计算得到相位延迟P(公式(2))和迅猛因子A(公式(3))。
其中，Tr1和Tr2为单个航行器运动角速率响应的第1和第2个峰值的时刻。Tδ1和Tδ2分别为操纵周期中侧杆角位移第1个和第2个峰值的时刻。为侧杆操纵角位移对时间的导数。
反馈参数的自适应算法对迅猛因子A进行在线优化，调整力控制参数包括k0，ke和kd。通过自适应调节k0，ke和kd三组参数，该侧杆结构能够根据用户控制实时控制反馈力。
基于上述实施例，在一实施例中，如图2至图4所示，该应用于水下载人航行器的侧杆结构包括：主动侧杆4、侧杆模块1、监控模块2和控制模块3。杆力传感器12与主动侧杆4连接，杆力传感器12并通过监控模块2与控制模块3电连接，杆力传感器12用于检测主动侧杆4受所述力矩电机驱动外力，并将外力反馈信号通过监控模块2发送至控制模块3。编码器11与力矩电机13电连接，编码器11通过监控模块2与控制模块3电连接，编码器11用于检测主动侧杆4的侧杆位移，用以将侧杆位移通过监控模块2发送至控制模块3。力矩电机13通过转轴与主动侧杆4传动连接，控制模块3与力矩电机13电连接，控制模块3用于根据侧杆位移和控制参数生成第一主动加载力矩，监控模块2以通过第一主动加载力矩控制力矩电机13控制主动侧杆4的反向驱动力，并在水下载人航行器在当前侧杆位移下运行超过安全操纵界限时，控制模块3在第一主动加载力矩的基础上，通过侧杆位移和控制参数生成第二主动加载力矩，监控模块2以通过第二主动加载力矩控制力矩电机13对反向驱动力进行调整。并且在力矩电机13调整反向驱动力的过程中，能够根据杆力传感器12检测到的力进行比较，以对反向驱动力进行适应性调整，保证输出的力在预设范围内。
在一实施例中，如图3所示，单台主动侧杆4通常包括两个自由度，使得操纵人员可以前后和左右拉动侧杆，两个方向的运动相互独立。前后运动和左右运动的位移量被监控模块2测量，并最终下达到中央操纵控制计算机。另一方面，当主动侧杆4产生了超出安全操纵界限的指令时，中央操纵控制计算机产生反向驱动力指令，提醒操纵人员可能会发生操纵危险。
水下载人航行器通常会配置多套侧杆结构，通过操纵权限选择，可实现多人协同操纵。二自由度主动侧杆以及侧杆模块如图3所示。
具体而言，主动侧杆4为具有二自由度操纵杆；侧杆模块1还包括隔离结构14，转轴设有两个，分别为深度指令转轴15和航向指令转轴16，主动侧杆4与隔离结构14连接。
深度指令转轴15通过隔离结构14与主动侧杆4传动连接，用于反馈主动侧杆4所传递的深度指令；航向指令转轴16通过隔离结构14与主动侧杆4传动连接，用于反馈主动侧杆4所传递的航向指令。
杆力传感器12设有两个，分别为第一杆力传感器和第二杆力传感器。第一杆力传感器与深度指令转轴15连接，并通过监控模块2与控制模块3电连接，用于检测主动侧杆4沿深度方向受所述力矩电机驱动外力，并将沿深度方向的外力反馈信号通过监控模块2发送至控制模块3。第二杆力传感器与航向指令转轴连接，并通过监控模块2与控制模块3电连接，用于检测主动侧杆4沿航向方向受所述力矩电机驱动外力，并将沿航向方向的外力反馈信号通过监控模块2发送至控制模块3。由此，在力矩电机13调整反向驱动力的过程中，能够根据杆力传感器12检测到的力进行比较，以对反向驱动力进行适应性调整，保证输出的力在预设范围内。
对应地，力矩电机13设有两个，分别为第一力矩电机和第二力矩电机。第一力矩电机通过深度指令转轴15与主动侧杆4传动连接，用于沿深度方向控制主动侧杆4移动。第二力矩电机通过航向指令转轴16与主动侧杆4传动连接，用于沿航向方向控制主动侧杆4移动。
对应地，编码器11设有两个，分别为第一编码器和第二编码器。第一力矩电机与第一编码器电连接，第一编码器用于检测主动侧杆4沿深度方向的侧杆位移，用以将沿深度方向的侧杆位移通过监控模块2发送至控制模块3。第二力矩电机与第二编码器电连接，第二编码器用于检测主动侧杆4沿航向方向的侧杆位移，用以将沿航向方向的侧杆位移通过监控模块2发送至控制模块3。
在一个实施例中，如图4所示，侧杆模块1还包括：减速器17。减速器17与力矩电机13传动连接。减速器17与力矩电机13的转动轴相连，减速器17用于降低力矩电机13的输出转速，增加转矩，提升载荷能力，从而达到理想的传动效果，满足工作需求。
如图3和图4所示，侧杆模块1还包括：壳体18和轴承，轴承设置于壳体18，转轴19与轴承连接；主动侧杆4包括杆体41和手柄42；手柄42与杆体41连接，杆体41与杆力传感器12连接，杆体41通过转轴19与力矩电机13传动连接。
其中，杆力传感器12用于测量主动侧杆4对人手施加的操纵力；壳体18为上下开口的矩形框，轴承分别位于壳体18四壁中心上；转轴19下与轴承相连，转轴19上与杆体41相连；杆体41的下端与转轴相连，杆体41的上端与杆力传感器12相连。
主动侧杆4包括两个功能相互独立的单自由度侧杆。每个单自由度侧杆模块的原理如图4所示，转轴19与减速器17相连，减速器17与力矩电机13的转动轴相连，力矩电机13后方是编码器11。
基于上述实施例，在一些实施例中，如图5所示，监控模块2包括：旋转变压器21、电流传感器22、电机驱动模块23和监控控制器24。
本实施例中，力矩电机13的第一信号发送端通过旋转变压器21与监控控制器24电连接，力矩电机13的第二信号发送端通过电流传感器22与监控控制器24电连接；力矩电机13的信号接收端通过电机驱动模块23与监控控制器24电连接，监控控制器24与控制模块3电连接。
工作过程中，杆力传感器12用于主动侧杆4对人手施加的操纵力，并将外力通过监控控制器24发送至控制模块3。编码器11用于检测主动侧杆4的侧杆位移，旋转变压器21用于读取其中的杆位移信号，电流传感器22用于读取其中的驱动电机电流信号，杆位移信号和驱动电机电流信号均通过监控控制器24发送至控制模块3。控制模块3用于根据侧杆位移生成第一主动加载力矩，以通过监控控制器24生成力矩驱动指令控制传递至电机驱动模块23，电机驱动模块23控制力矩电机13控制主动侧杆4的反向驱动力。控制模块3在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限时，在第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过监控控制器24生成力矩驱动指令控制力矩电机13对反向驱动力进行调整。
为便于连接旋转变压器21、电流传感器22以及杆力传感器12。监控模块2还包括：杆力信号调制电路25、位移信号调制电路26和电流信号调制电路27。杆力传感器12通过杆力信号调制电路25与监控控制器24电连接，旋转变压器21通过位移信号调制电路26与监控控制器24电连接，电流传感器22通过电流信号调制电路27与监控控制器24电连接。
其中，杆力信号调制电路25用于配合将杆力传感器12检测的信号传递至监控控制器24的AD模块中，位移信号调制电路26用于配合将旋转变压器21检测的信号传递至监控控制器24的AD模块中。电流信号调制电路27用于配合将电机驱动模块23检测的信号传递至监控控制器24的AD模块中。AD模块中的各信号通过串口发送至中央操纵控制计算机中。
该监控模块2，一方面根据航行安全包络线和运动参数，融合航行状态数据，产生力控制指令，驱动力矩电机，并作用到侧杆模块，使艇员通过力感受操纵态势；另一方面，可根据艇员操纵习惯，自适应调节侧杆刚度和阻尼特性，从而获得最为舒适的操纵感觉，提升人机工效。
在一实施例中，应用于水下载人航行器的侧杆结构设置有工作模式切换按钮，根据选择，侧杆结构包括三种工作模式，即主动模式，跟随模式和被动模式。
为了满足多个操纵位同时进行深度和航向的控制，通常需要配置多个侧杆结构，每个侧杆结构可设置不同的操纵模式。
在主动模式下，监控模块2产生力控制指令，并作用到侧杆模块，控制主动侧杆4，使艇员通过“力感”感受操纵态势；在随动模式下，操纵控制系统中央计算机产生操纵指令，主动侧杆4跟随内部指令产生位移，而不跟随操纵人员的指令；在被动模式下，主动侧杆4被动跟随操纵人员的操纵，不产生力反馈特性，也不产生内部杆位移指令。
主动侧杆4的左右操纵通常转为水下航行器的航向或方向舵操纵指令，前后推拉操纵通常转化为航行器的深度或升降舵操纵指令。结合操纵指令的形式和主动侧杆的操纵模式，水下航行器包括14种操纵模式，每一种模式可被分配到某个主动侧杆的一个自由度，每个主动侧杆4的一个自由度只能同时具有一个操纵模式；升降舵控制同时只能具有一个操纵模式，方向性舵控制同时只能具有一个操纵模式。14种操纵模式如下表1所示。
表1
在主动模式下，水下载人航行器安全包络线数据和航行态势将产生侧杆力反驱特性，使得侧杆的杆力变化能够提示艇员是否接近或超越了正常的航行包线范围，并引导艇员实施安全挽回操纵。
主动杆机械机构多余阻力的被自适应力控制算法进行补偿抵消，实现主动操作杆的力梯度、阻力特性的自适应调节技术；实现对上述参数的自适应修正，使得侧杆指令平稳、快速、准确。优化艇员操纵体验，降低操纵负荷，提升水下载人航行器操纵品质。
侧杆的指令最终转化为水下载人航行器的转舵指令。水下载人航行器包括三对舵面，即艉部竖直布置的方向舵，以及水平布置的艏升降舵和艉升降舵。方向舵用于控制水下载人航行器的水平运动和航向；艉升降舵和艏升降舵用于控制水下载人航行器的纵倾角和航行深度。
左右操纵下达的指令会转化为水下载人航行器的转向速率指令和方向舵转角指令。前后操纵主动侧杆的指令会转化为水下载人航行器的深度变化速率指令或艏升降舵转角指令。当前后推拉指令控制艏升降舵转角指令时，艉部升降舵的舵角控制指令由中央计算机生成并下达。
综上所述，本发明实施例提供的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。可以根据水下载人航行器航行任务特点设置航行安全操纵界限和运动参数，融合航行状态数据，使艇员通过反向驱动力感受操纵态势，提升复杂任务环境下的操纵品质；另一方面，可根据艇员操纵习惯，自适应调节侧杆刚度和阻尼特性，从而获得最为舒适的操纵感觉，提升人机工效。
应用于水下载人航行器的侧杆结构具有多重应用价值，包括：
(1)有助于提升航行操纵安全。主动侧杆技术将安全操纵界限，航行状态等信息进行融合，反馈为侧杆反向驱动力，杆力变化能够提示艇员是否接近或超越了安全操纵范围，再通过仪表显示功能将状态更完整的传达给艇员，保证艇员做出正确的操纵行为。
(2)提升艇员操纵体验和人机工效。侧杆的控制算法，可实现对机构摩擦力补偿，并自适应调节侧杆的相应刚度、阻尼参数，从而调整操纵力感特性，降低操纵负荷，提升操纵体验。
(3)提升潜操系统控制品质。主动操纵技术，自适应调节技术将使得下达的舵杆指令更为平稳、准确和快速，将有效避免指令舵角、指令航向角、指令深度、指令变化速率等参数抖动，从而提升控制品质。
(4)有助于减员增效。主动操作杆技术将水下载人航行器多方面航行态势信息融合到杆位移和杆力中，从而实现单人操艇，减员增效。
下面对本发明提供的侧杆结构的控制系统进行描述，下文描述侧杆结构的控制系统与上文描述侧杆结构控制方法可相互对应参照。
如图8所示，该侧杆结构的控制系统包括：获取模块810、判断模块820、第一执行模块830和第二执行模块840。
本实施例中，获取模块810用于获取主动侧杆的侧杆位移；判断模块820用于判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；第一执行模块830用于在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；第二执行模块840用于在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
图9示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图9所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)910、通信接口(Communications Interface)920、存储器(memory)930和通信总线940，其中，处理器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑指令，以执行水下载人航行器的侧杆结构控制方法，该方法包括：获取主动侧杆的侧杆位移；判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
此外，上述的存储器930中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的水下载人航行器的侧杆结构控制方法，该方法包括：获取主动侧杆的侧杆位移；判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的水下载人航行器的侧杆结构控制方法，该方法包括：获取主动侧杆的侧杆位移；判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取主动侧杆的侧杆位移；
判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；
在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；
在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
2.根据权利要求1所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
获取主动侧杆受反向驱动力驱动的外力；
基于所述外力，修正由所述第一主动加载力矩或所述第二主动加载力矩控制的所述反向驱动力。
3.根据权利要求2所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，所述基于所述外力，修正由所述第一主动加载力矩或所述第二主动加载力矩控制的所述反向驱动力的步骤，包括：
在所述外力大于所述反向驱动力时，增加所述反向驱动力；
在所述外力小于所述反向驱动力时，降低所述反向驱动力。
4.根据权利要求1所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，所述侧杆位移包括：角位移速率和超出安全操作的界限距离；
所述基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩的步骤，包括：
基于所述角位移速率与所述控制参数生成所述第一主动加载力矩。
5.根据权利要求4所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，所述基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩的步骤，包括：
基于所述角位移速率与所述控制参数生成所述第一主动加载力矩；
基于所述界限距离与所述控制参数调整所述第一主动加载力矩，生成所述第二主动加载力矩。
6.根据权利要求5所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，所述控制参数包括：安全操纵界限范围内的阻尼系数k0、超出安全操纵界限后的力梯度系数kε和超出安全操纵界限后的附加阻尼系数kd；
所述第一主动加载力矩τ1＝k0ω，所述第二主动加载力矩
其中，ω为所述侧杆位移，e为所述界限距离。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法，其特征在于，所述侧杆结构包括：主动侧杆、侧杆模块、监控模块和控制模块；
所述侧杆模块包括转轴、杆力传感器、力矩电机和编码器；
所述杆力传感器与所述主动侧杆连接，并通过所述监控模块与所述控制模块电连接，用于检测主动侧杆所受所述力矩电机驱动外力，并将外力反馈信号通过所述监控模块发送至所述控制模块；
所述编码器与所述力矩电机电连接，并通过所述监控模块与所述控制模块电连接，所述编码器用于检测所述主动侧杆的所述侧杆位移，用以将所述侧杆位移通过所述监控模块发送至所述控制模块；
所述力矩电机通过所述转轴与所述主动侧杆传动连接，所述控制模块与所述力矩电机电连接，所述控制模块用于根据所述侧杆位移和所述控制参数生成第一主动加载力矩，所述监控模块以通过所述第一主动加载力矩生成控制所述力矩电机控制所述主动侧杆的反向驱动力，并在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限时，所述控制模块在第一主动加载力矩的基础上，通过所述侧杆位移和所述控制参数生成第二主动加载力矩，所述监控模块以通过所述第二主动加载力矩控制所述力矩电机对所述反向驱动力进行调整。
8.一种侧杆结构的控制系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取主动侧杆的侧杆位移；
判断模块，用于判断水下载人航行器在所述侧杆位移下运行是否超过安全操纵界限；
第一执行模块，用于在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行未超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的控制参数生成第一主动加载力矩，以通过所述第一主动加载力矩控制主动侧杆的反向驱动力；
第二执行模块，用于在水下载人航行器在当前所述侧杆位移下运行超过安全操纵界限的情形下，基于所述侧杆位移与设置的所述控制参数在所述第一主动加载力矩的基础上生成第二主动加载力矩，以通过所述第二主动加载力矩调整所述反向驱动力。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述应用于水下载人航行器的侧杆结构控制方法。
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