一种“X”型尾翼拖曳体及其运动姿态控制方法与流程

本发明属于海洋监测领域，特别涉及一种“x”型尾翼拖曳体及其运动姿态控制方法。

背景技术：

海洋拖曳系统作为一种高效的海洋探测平台，随着海洋开发的日益深入，已广泛地被应用于海洋研究、海洋监测、军事探测、水声对抗等诸多领域，并发挥着越来越重要的作用。随着世界各国对水下环境快速现场监测能力要求的提高，市场对该类装置的需求不断增加。拖曳体内所搭载的水下环境监测传感器的工作性质要求拖曳体工作时必须姿态稳定，并且具有灵活快速的深度和姿态的调节与控制能力。为此专家们一直都在为开发符合这种要求的水下拖曳体而做了大量的研究工作，提出了适应于不同用途的各种形式的水下拖曳体。如何在保证拖曳体姿态稳定的前提下使其能按照所要求的测量轨迹与姿态要求快速灵活地对其进行有效的操纵，是能否开发出一种经济实用、具有市场价值的水下拖曳体的关键。

目前实现水下拖曳体控制的主要途径可分为两类:一是安装水平控制水翼，实现对拖体深度及其俯仰的控制；二是安装垂直控制水翼调节，实现对拖体偏航及其侧向位置的控制。现有拖曳体中深度控制装置和姿态控制装置分离，使得整体机构复杂，造价成本提高。在实际作业时海洋拖曳系统必然受到海浪和海流的影响作用，使得拖曳体的轨迹、姿态控制受到外界环境的强烈干扰，且变化不定，需基于上述的拖体主动控制，提出先进的控制理论，实现对系统的良好控制。

技术实现要素：

基于此，本发明为了克服现有技术缺陷。提供了一种“x”型尾翼拖曳体及其运动姿态控制方法，其区别于垂直尾翼和水平尾翼，所提出的“x”型尾翼，能够兼顾水平尾翼和垂直尾翼的作用，保证水下拖曳体的航行姿态稳定性。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种“x”型尾翼拖曳体，它包括壳体，所述壳体的两侧壁上，并沿其长度方向依次布置有用于监测其加速度的加速度传感器和用于监测其压力的压力传感器；所述壳体顶部两侧的中间部位对称安装有水动力压板；所述壳体的底部中间部位安装有监测装置；所述壳体的尾部安装有x型尾翼；所述x型尾翼与尾翼驱动装置相连；所述壳体的内部还安装有用于驱动整个拖拽体的动力装置。

所述拖曳体还包括控制系统，所述控制系统包括拖曳体定深控制系统、拖曳体俯仰姿态控制系统和拖曳体横摇运动控制系统。

所述壳体的顶部中心位置固定有拖缆连接座，所述拖缆连接座上连接有拖缆。

所述水动力压板与用于驱动其动作的水动力压板驱动装置相连。

所述x型尾翼包括下部的两对固定尾翼和上部的两对可调节攻角的尾翼组成。

所述动力装置、尾翼驱动装置和用于驱动水动力压板的水动力压板驱动装置构成整个拖曳体的驱动装置，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机与减速器相连，所述减速器通过联轴器与锥齿轮传动机构相连；多个所述锥齿轮传动机构的输出端分别与动力装置、尾翼驱动装置和水动力压板驱动装置相连，并分别驱动x型尾翼进行拖曳体姿态调节以及水动力压板进行深度调节。

所述监测装置根据不同的需要搭载温度、盐度、压力、海洋元素探测传感器或声、光物理探测传感器。

所述定深控制系统包括定深pid控制器，所述定深pid控制器与水动力压板攻角控制系统相连，所述水动力压板攻角控制系统与水动力压板驱动装置相连，并控制其功角调节拖曳体的深度；压力传感器监测拖曳体的当前深度，并发送至定深pid控制器输入端。

所述拖曳体俯仰姿态控制系统包括俯仰姿态pid控制器和拖缆张力控制系统，所述俯仰姿态pid控制器与水翼攻角控制系统相连，所述水翼攻角控制系统与水翼驱动装置相连，所述拖缆张力控制系统与母船液压绞车相连，所述母船液压绞车上连接有拖缆，所述水翼驱动装置和拖缆都与俯仰姿态耦合控制器相连，所述俯仰姿态耦合控制器与拖拽体相连，加速度传感器监测拖曳体的加速度信号，并发送至俯仰姿态pid控制器与水翼攻角控制系统；

所述拖曳体横摇运动控制系统包括横摇运动pid控制器，所述横摇运动pid控制器与尾翼攻角控制系统相连，所述尾翼攻角控制系统与尾翼驱动装置相连，尾翼驱动装置与x型尾翼的两对可调节攻角的尾翼相连；加速度传感器监测拖曳体的加速度信号，并发送至横摇运动pid控制器。

任意一项所述“x”型尾翼拖曳体的运动姿态控制方法，水下拖曳体通过拖缆连接座和拖缆进行连接，由拖曳体内部的加速度传感器和压力传感器分别实时监测拖曳体横摇运动、俯仰姿态和深度信息，经拖缆传输拖曳体深度、横摇运动、俯仰姿态信息和拖曳体底部监测装置捕获的监测信息；

定深控制系统中定深pid控制器输入为上一时刻压力传感器监测的拖曳体深度与目标深度之差zd，输出为应该给拖曳体垂向施加的外力fz；水动力压板攻角控制系统输入为fz，输出为水动力压板这一时刻的攻角θ；水动力压板驱动装置输入为这一时刻的攻角θ，结合该时刻拖曳系统的参数，求得下一时刻的深度z(k+1)，定深控制系统pid控制系统离散方程为：

式中：t为采样周期；ze(n-1)和ze(n)为第n次和第n-1次采样所取得的深度差；kp、ki、kd分别是比例系数、积分系数、微分系数；

水动力压板驱动装置通过伺服电机接收偏转信号，经与伺服电机连接的减速器，与减速器连接的联轴器，通过弧齿锥齿轮传动控制水动力压板的攻角θ，来实现对拖曳体的深度控制；

俯仰姿态控制系统中俯仰姿态pid控制器输入为上一个加速度传感器监测的拖曳体俯仰运动信息与目标信息之差yd，输出为应该给拖曳体施加的外力fy；拖缆张力控制系统输入为fy，输出为这一时刻拖缆的张力fy′；母船液压绞车输入为fy′，输出为这一时刻拖缆的张力；水动力压板攻角控制系统输入为fy，输出为水动力压板这一时刻的攻角β；水动力压板驱动装置输入为这一时刻的攻角β，结合俯仰姿态耦合控制器计算该拖曳系统的参数，求得下一时刻的俯仰姿态信息y(k+1)；

横摇运动控制系统中横摇运动pid控制器输入为上一时刻加速度传感器监测的拖曳体横摇运动信息与目标信息之差xd，输出为应该给拖曳体施加的外力fz′；x型尾翼的攻角控制系统输入为fz′，输出为x型尾翼这一时刻的攻角γ；x型尾翼的尾翼驱动装置输入为这一时刻的攻角γ，结合该时刻拖曳系统的参数，求得下一时刻的横摇运动信息x(k+1)；所述尾翼驱动装置通过伺服电机接收偏转信号，经与伺服电机连接的减速器，与减速器连接的联轴器，通过弧齿锥齿轮传动控制x型尾翼的攻角β，来实现对拖曳体的横摇运动控制。

本发明有如下有益效果：

1、本发明利用水下扑翼俯仰运动产生升力的原理，通过控制水动力压板攻角改变水下拖曳体的升力，通过联合控制拖缆张力和水动力压板攻角改变水下拖曳体的俯仰姿态，通过控制x型尾翼攻角改变水下拖曳体的横摇运动。

2、本发明将拖曳体的深度控制、俯仰姿态控制和横摇运动控制集成在一起，不仅能独立控制也能耦合控制，比较其他拖曳体中深度控制装置和姿态控制装置分离，使得整体机构简单，造价成本降低。

3、本发明提出水动力压板和x型尾翼攻角控制方式是通过弧齿锥齿轮传动控制实现，具有传动效率高、传动比稳定、节省空间和寿命长等优点；

4、本发明提出的x型尾翼，能够兼顾水平尾翼和垂直尾翼的作用，保证水下拖曳体的航行姿态稳定性；

5、本发明提出了一种pid控制方法对拖曳体运动姿态控制，包括对拖曳体的定深控制、俯仰姿态控制和横摇运动控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的三维图。

图4为本发明的定深控制系统框图。

图5为本发明的俯仰姿态控制系统框图。

图6为本发明的横摇运动控制系统框图。

图中：壳体1、加速度传感器2、压力传感器3、水动力压板驱动装置4、拖缆连接座5、水动力压板6、尾翼驱动装置7、x型尾翼8、动力装置9、监测装置10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-3，一种“x”型尾翼拖曳体，它包括壳体1，所述壳体1的两侧壁上，并沿其长度方向依次布置有用于监测其加速度的加速度传感器2和用于监测其压力的压力传感器3；所述壳体1顶部两侧的中间部位对称安装有水动力压板6；所述壳体1的底部中间部位安装有监测装置10；所述壳体1的尾部安装有x型尾翼8；所述x型尾翼8与尾翼驱动装置7相连；所述壳体1的内部还安装有用于驱动整个拖拽体的动力装置9。通过采用上述结构的拖曳体区别于垂直尾翼和水平尾翼，能够兼顾水平尾翼和垂直尾翼的作用，保证水下拖曳体的航行姿态稳定性。

进一步的，所述拖曳体还包括控制系统，所述控制系统包括拖曳体定深控制系统、拖曳体俯仰姿态控制系统和拖曳体横摇运动控制系统。通过采用上述的自动控制系统能够

进一步的，所述壳体1的顶部中心位置固定有拖缆连接座5，所述拖缆连接座5上连接有拖缆。通过所述的拖缆能够与控制系提供相连，进而传递信号。

进一步的，所述水动力压板6与用于驱动其动作的水动力压板驱动装置4相连。通过水动力压板驱动装置4能够驱动水动力压板6。

进一步的，所述x型尾翼8包括下部的两对固定尾翼和上部的两对可调节攻角的尾翼组成。通过采用x型尾翼8能够兼顾水平尾翼和垂直尾翼的作用，保证水下拖曳体的航行姿态稳定性。

进一步的，所述动力装置9、尾翼驱动装置7和用于驱动水动力压板6的水动力压板驱动装置4构成整个拖曳体的驱动装置，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机与减速器相连，所述减速器通过联轴器与锥齿轮传动机构相连；多个所述锥齿轮传动机构的输出端分别与动力装置9、尾翼驱动装置7和水动力压板驱动装置4相连，并分别驱动x型尾翼8进行拖曳体姿态调节以及水动力压板6进行深度调节。

进一步的，所述监测装置10根据不同的需要搭载温度、盐度、压力、海洋元素探测传感器或声、光物理探测传感器。

进一步的，所述定深控制系统包括定深pid控制器，所述定深pid控制器与水动力压板攻角控制系统相连，所述水动力压板攻角控制系统与水动力压板驱动装置4相连，并控制其功角调节拖曳体的深度；压力传感器3监测拖曳体的当前深度，并发送至定深pid控制器输入端。

进一步的，所述拖曳体俯仰姿态控制系统包括俯仰姿态pid控制器和拖缆张力控制系统，所述俯仰姿态pid控制器与水翼攻角控制系统相连，所述水翼攻角控制系统与水翼驱动装置相连，所述拖缆张力控制系统与母船液压绞车相连，所述母船液压绞车上连接有拖缆，所述水翼驱动装置和拖缆都与俯仰姿态耦合控制器相连，所述俯仰姿态耦合控制器与拖拽体相连，加速度传感器监测拖曳体的加速度信号，并发送至俯仰姿态pid控制器与水翼攻角控制系统；通过上述的俯仰姿态控制系统，能够根据拖曳体深度自动调节控制水翼攻角控制系统，进而调节其俯仰角度。

进一步的，所述拖曳体横摇运动控制系统包括横摇运动pid控制器，所述横摇运动pid控制器与尾翼攻角控制系统相连，所述尾翼攻角控制系统与尾翼驱动装置7相连，尾翼驱动装置7与x型尾翼8的两对可调节攻角的尾翼相连；加速度传感器监测拖曳体的加速度信号，并发送至横摇运动pid控制器。通过上述的横摇运动控制系统能够用于控制x型尾翼8的攻角，进而实现拖曳体的横摇自动控制。

实施例2：

任意一项所述“x”型尾翼拖曳体的运动姿态控制方法，水下拖曳体通过拖缆连接座5和拖缆进行连接，由拖曳体内部的加速度传感器2和压力传感器3分别实时监测拖曳体横摇运动、俯仰姿态和深度信息，经拖缆传输拖曳体深度、横摇运动、俯仰姿态信息和拖曳体底部监测装置捕获的监测信息；

定深控制系统中定深pid控制器输入为上一时刻压力传感器3监测的拖曳体深度与目标深度之差zd，输出为应该给拖曳体垂向施加的外力fz；水动力压板攻角控制系统输入为fz，输出为水动力压板这一时刻的攻角θ；水动力压板驱动装置输入为这一时刻的攻角θ，结合该时刻拖曳系统的参数，求得下一时刻的深度z(k+1)，定深控制系统pid控制系统离散方程为：

式中：t为采样周期；ze(n-1)和ze(n)为第n次和第n-1次采样所取得的深度差；kp、ki、kd分别是比例系数、积分系数、微分系数；

水动力压板驱动装置通过伺服电机接收偏转信号，经与伺服电机连接的减速器，与减速器连接的联轴器，通过弧齿锥齿轮传动控制水动力压板的攻角θ，来实现对拖曳体的深度控制；

俯仰姿态控制系统中俯仰姿态pid控制器输入为上一个加速度传感器监测的拖曳体俯仰运动信息与目标信息之差yd，输出为应该给拖曳体施加的外力fy；拖缆张力控制系统输入为fy，输出为这一时刻拖缆的张力fy′；母船液压绞车输入为fy′，输出为这一时刻拖缆的张力；水动力压板攻角控制系统输入为fy，输出为水动力压板这一时刻的攻角β；水动力压板驱动装置输入为这一时刻的攻角β，结合俯仰姿态耦合控制器计算该拖曳系统的参数，求得下一时刻的俯仰姿态信息y(k+1)；

横摇运动控制系统中横摇运动pid控制器输入为上一时刻加速度传感器监测的拖曳体横摇运动信息与目标信息之差xd，输出为应该给拖曳体施加的外力fz′；x型尾翼8的攻角控制系统输入为fz′，输出为x型尾翼8这一时刻的攻角γ；x型尾翼8的尾翼驱动装置7输入为这一时刻的攻角γ，结合该时刻拖曳系统的参数，求得下一时刻的横摇运动信息x(k+1)；所述尾翼驱动装置7通过伺服电机接收偏转信号，经与伺服电机连接的减速器，与减速器连接的联轴器，通过弧齿锥齿轮传动控制x型尾翼8的攻角β，来实现对拖曳体的横摇运动控制。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。