一种适用于微小型uuv的组合测速系统的制作方法
【专利摘要】一种适用于微小型UUV的组合测速系统，涉及微小型水下无人航行器的组合测速技术。为了解决微小型航行器进行大深度水下航行时现有的多普勒测速仪不适合测速的问题。两组水轮测速装置的结构相同，分别测量UUV长度方向和宽度方向的海流速度，两组水轮测速装置的输出端均连接相对速度计算器的输入端，相对速度计算器的输出端连接数据融合模块的相对速度输入端，高频声学多普勒测速仪的输出端连接数据融合模块的对地速度输入端，数据融合模块的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器的输入端，海流信息卡尔曼滤波器输出海流信息。本发明的结构简单、造价低、体积小、重量轻、可靠性高，可实时推算时变的海流信息。本发明适用于测量海流信息。
【专利说明】
一种适用于微小型UUV的组合测速系统
技术领域
[0001] 本发明涉及微小型水下无人航行器(UUV)的组合测速技术。
【背景技术】
[0002] 微小型无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)具有体积小、造价 低、噪声小、机动性强等特点，对预警跟踪等特殊任务拥有独特的优势。然而非线性、强时变 以及难预测的海流干扰一直对微小型UUV快速发展和提高控制精度带来巨大阻碍。目前大 部分UUV采用单一的多普勒测速仪(DVL)作为测速、测流装置，低频DVL对底作用距离较大， 但其体积、重量较大，不适合微小型航行器，高频DVL对底作用距离较小，但可通过声学散射 原理测得UUV相对水流的速度，且体积小、重量轻，但当航行器进行大深度水下航行时，由于 水质较清澈且没有浮游生物，无法通过DVL获得UUV相对水流速度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决微小型航行器进行大深度水下航行时现有的多普勒测 速仪不适合测速的问题，从而提供一种适用于微小型UUV的组合测速系统。
[0004] 本发明所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统，包括高频声学多普勒测速 仪、两组水轮测速装置、两个相对速度计算器、数据融合模块和海流信息卡尔曼滤波器；
[0005] 两组水轮测速装置的结构相同，每组水轮测速装置与一个相对速度计算器相对 应;水轮测速装置的感应电动势输出端连接相对应的相对速度计算器的感应电动势输入 端，一个相对速度计算器的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块的相对速度输 入端一，另一个相对速度计算器的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块的相对 速度输入端二，高频声学多普勒测速仪的对地速度输出端连接数据融合模块的对地速度输 入端，数据融合模块的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器的输入端，海流信息卡尔曼滤波 器输出海流信息，一组水轮测速装置测量UUV长度方向的海流相对速度，另一组水轮测速装 置测量UUV宽度方向的海流相对速度。
[0006] 当UUV在水下航行时，水轮测速装置由于海水流动产生感应电动势，相对速度计算 器根据感应电动势计算出UUV的航速与海流速度的相对速度，两组水轮测速装置放置的位 置相垂直，分别测量沿UUV的长度方向（纵向）和宽度方向（横向）的UUV的航速与海流速度的 相对速度VddPVd 2，高频声学多普勒测速仪测量UUV的对地速度。
[0007] 当UUV航行高度在高频声学多普勒测速仪最大探测范围内时，多普勒测速仪可测 出UUV对地速度Vl，按UUV的纵向与横向将V l分解得到UUV纵向对地速度Vli和UUV横向对地速 度Vl2，再分别与VdjPV d2做差，即可得到海流在UUV纵向、横向两个方向上的分速度Vci和Vc2， 再合成后得到海流的速度与方向。在海流信息卡尔曼滤波器输入此时的速度信息，控制滤 波器的过程激励噪声方差Q，实时更新海流滤波数据，利用最小二乘拟合方法整合实时的海 流信息与导航信息，建立海流-导航速度关系数据库。当UUV航行高度大于DVL最大探测范围 时，高频声学多普勒测速仪无法测出UUV的对地速度，海流信息卡尔曼滤波器输入不可信数 据，过程激励噪声方差Q固定，将滤波得到的海流信息与海流-导航速度关系数据库相对应， 反演得到UUV的速度信息，再进行速度分解，按高频声学多普勒测速仪可用时的方法求得海 流ig息。
[0008] 海流信息经过滤波处理后，反馈给控制器，UUV通过航路自适应调节对航向、航行 位置、航行姿态以及航行速度加以控制。定义最短路径为起始点到目标点的直线连线。将最 短路径划分为几个区段，在整个区段搜索后得到最优航路点，各区段最优航路点的集合即 为UUV的最佳航线。各区段UUV的航速根据海流的变化而变化，采用以时间最优及避免横向 流为原则的航路自适应控制方法对UUV进行调节。首先，将最短路径根据航行距离划分为m 个区域，设定最大搜索循环次数i，并根据测得的海流信息，在各区段搜索最佳航路点，设定 最大区段搜索次数j;然后，根据综合评价函数，计算各区段内有效航行路径的综合评价值， 选择其中使当前阶段综合评价值最小的航路点集，查看最佳航路点是否处在横流区或者有 效航行范围之内；最后，当循环次数达到设定的最大搜索次数时，完成航路自适应调节，使 UUV按照规划的路径选择适合的路径航行，保证航行系统的稳定性与可靠性。
[0009] 本发明所述的适用于微小型UUV的组合测速系统具有以下优点：
[0010] 1、本发明不依赖于UUV模型，方法简单，可靠性高，可实时推算时变的海流信息；
[0011] 2、本发明的装置结构简单、造价低、体积小、重量轻可广泛应用于海洋航行器；
[0012] 3、本发明的装置采用水轮测速装置测量水速，大幅度的降低了海流信息估计过程 中的误差，提高了海流信息的可靠性。
[0013]本发明适用于测量海流信息，根据海流信息对UUV航路规划、轨迹跟踪等进行控 制，为微小型UUV在各种深度海域提供一定精度的导航信息。
【附图说明】
[0014] 图1是【具体实施方式】一所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统的结构示意 图；
[0015] 图2是【具体实施方式】二中的两组水轮测速装置在UUV顶部的结构示意图；
[0016] 图3是【具体实施方式】三中的水轮测速装置的主视图；
[0017]图4是图3的左视图；
[0018]图5是图3的俯视图；
[0019] 图6是【具体实施方式】五中的测速电机的结构示意图；
[0020] 图7是【具体实施方式】五中的采用自适应控制方法对UUV进行调节的原理示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0021] 一:参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于微 小型UUV的组合测速系统，包括高频声学多普勒测速仪1、两组水轮测速装置2、两个相对速 度计算器3、数据融合模块4和海流信息卡尔曼滤波器5;
[0022] 两组水轮测速装置2的结构相同，每组水轮测速装置2与一个相对速度计算器3相 对应;水轮测速装置2的感应电动势输出端连接相对应的相对速度计算器3的感应电动势输 入端，一个相对速度计算器3的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块4的相对速 度输入端一，另一个相对速度计算器3的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块4 的相对速度输入端二，高频声学多普勒测速仪1的对地速度输出端连接数据融合模块4的对 地速度输入端，数据融合模块4的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器5的输入端，海流信息 卡尔曼滤波器5输出海流信息，一组水轮测速装置2测量UUV长度方向的海流相对速度，另一 组水轮测速装置2测量UUV宽度方向的海流相对速度。
[0023 ]【具体实施方式】二:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一 所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统作进一步说明，本实施方式中，UUV的顶部设 置有凹槽，两组水轮测速装置2均固定于UUV顶部的凹槽内，高频声学多普勒测速仪1固定于 UUV的底部。
[0024]【具体实施方式】三:参照图3至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施 方式二所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统作进一步说明，本实施方式中，水轮测 速装置2包括水轮机和测速电机2-4，水轮机包括水轮驱动板2-1、支撑底座2-2、水轮转动轴 2-3、主动齿轮2-5和从动齿轮2-6;
[0025]支撑底座2-2固定于UUV顶部的凹槽内，水轮转动轴2-3的一端通过轴承盒可转动 的固定在支撑底座2-2上，水轮转动轴2-3的一端沿周向均匀的固定多个水轮驱动板2-1，水 轮转动轴2-3的另一端固定有主动齿轮2-5，主动齿轮2-5与从动齿轮2-6啮合，从动齿轮2-6 固定在测速电机2-4的转轴上，测速电机2-4的输出端作为水轮测速装置2的感应电动势输 出端。
[0026]【具体实施方式】四：本实施方式是对【具体实施方式】三所述的一种适用于微小型UUV 的组合测速系统作进一步说明，本实施方式中，水轮驱动板2-1为8个。
[0027]【具体实施方式】五:参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施 方式三所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统作进一步说明，本实施方式中，测速电 机2-4包括电机本体2-4-2、电阻Rl、电压传感器2-4-3和电源2-4-4;
[0028]电机本体2-4-2上设有电机转动轴2-4-1，电机转动轴2-4-1为所述测速电机2-4的 转轴，电机本体2-4-2与电阻Rl并联，构成并联支路，该并联支路的正极连接电压传感器2-4-3的感应电动势正极端H+，并联支路的负极连接电压传感器2-4-3的感应电动势负极端 H-，电源2-4-4的正极连接电压传感器2-4-3的电源正极端V+，电源2-4-4的负极连接电压传 感器2-4-3的电源负极端V-，电压传感器2-4-3的接地端接地，电压传感器2-4-3的输出端作 为测速电机2-4的输出端。
[0029] 本实施方式采用测速电机2-4和电压传感器2-4-3,大幅度的降低了海流信息计算 过程中的误差，提高了海流信息的可靠性。电阻Rl、电压传感器2-4-3和电源2-4-4组成的电 路放置于UUV的仪表舱内。
[0030] 当UUV在水下航行时，水轮驱动板2-1受力转动，水轮驱动板2-1通过水轮转动轴2-3带动主动齿轮2-5转动，主动齿轮2-5带动从动齿轮2-6转动，从动齿轮2-6通过电机转动轴 2-4-1带动测速电机2-4工作。根据测速电机2-4与电压传感器2-4-3的性能指标，可以得到 感应电动势Ul与水轮转速η的对应比例关系。根据水轮转速η、水轮转动半径r，可由公式V = ω · r = 2ii · η · r得到水轮转动的线速度V(其中ω为水轮转动的角速度），组水轮测速装置 2测量UUV长度方向的海流相对速度Vdl，另一组水轮测速装置2测量UUV宽度方向的海流相对 速度Vd 2。
[0031] 本实方式中选取的频率为600kHz的高频声学多普勒测速仪1，其最大探测范围为 100米，当UUV航行高度为80米时，高频声学多普勒测速仪1可测出的UUV对地速度按UUV的纵 向与横向进行分解得到纵向分速度为Vu、横向分速度为I2，则海流在UUV纵向上的速度为 Vci = VLl-Vdl，横向上的分速度为Vc2 = VL2-Vd2,（Vci、Vci、Vdl、Vd2、VLl、VL2均为矢量)从而求得海 流的速度为。=Jv^+vS，海流的方向与航向夹角为e=arctan^度。 y Ci
[0032]如图7所示，采用自适应控制方法对UUV进行调节的具体过程为:数据融合模块4将 算出的海流信息输出给海流信息卡尔曼滤波器后反馈给控制器，控制器控制执行机构执行 相应动作，即：UUV通过航路自适应调节对航向、航行位置、航行姿态以及航行速度加以控 制。定义最短路径为起始点到目标点的直线连线，将最短路径划分为几个区段，在整个区段 搜索后得到最优航路点，各区段最优航路点的集合即为UUV的最佳航线。各区段UUV的航速 根据海流的变化而变化，采用以时间最优及避免横向流为原则的航路自适应控制方法对 UUV进行调节。首先，将最短路径根据航行距离划分为m个区域，设定最大搜索循环次数i，并 根据测得的海流信息，在各区段搜索最佳航路点，设定最大区段搜索次数j;然后，根据综合 评价函数，计算各区段内有效航行路径的综合评价值，选择其中使当前阶段综合评价值最 小的航路点集，查看最佳航路点是否处在横流区或者有效航行范围之内；最后，当循环次数 达到设定的最大搜索次数，完成航路自适应调节，使UUV按照规划的路径选择适合的路径航 行。
【主权项】
1. 一种适用于微小型UUV的组合测速系统，其特征在于，包括高频声学多普勒测速仪 (1 )、两组水轮测速装置(2)、两个相对速度计算器(3)、数据融合模块(4)和海流信息卡尔曼 滤波器(5); 两组水轮测速装置（2)的结构相同，每组水轮测速装置（2)与一个相对速度计算器（3) 相对应;水轮测速装置(2)的感应电动势输出端连接相对应的相对速度计算器(3)的感应电 动势输入端，一个相对速度计算器（3)的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块 (4)的相对速度输入端一，另一个相对速度计算器(3)的UUV与海洋的相对速度输出端连接 数据融合模块(4)的相对速度输入端二，高频声学多普勒测速仪(1)的对地速度输出端连接 数据融合模块(4)的对地速度输入端，数据融合模块(4)的输出端连接海流信息卡尔曼滤波 器(5)的输入端，海流信息卡尔曼滤波器(5)输出海流信息，一组水轮测速装置(2)测量UUV 长度方向的海流相对速度，另一组水轮测速装置(2)测量UUV宽度方向的海流相对速度。2. 根据权利要求1所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统，其特征在于，UUV的顶 部设置有凹槽，两组水轮测速装置(2)均固定于UUV顶部的凹槽内，高频声学多普勒测速仪 (1)固定于UUV的底部。3. 根据权利要求2所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统，其特征在于，水轮测 速装置(2)包括水轮机和测速电机(2-4)，水轮机包括水轮驱动板(2-1 )、支撑底座(2-2)、水 轮转动轴(2-3)、主动齿轮(2-5)和从动齿轮(2-6); 支撑底座(2-2)固定于UUV顶部的凹槽内，水轮转动轴(2-3)的一端通过轴承盒可转动 的固定在支撑底座（2-2)上，水轮转动轴（2-3)的一端沿周向均匀的固定多个水轮驱动板 (2-1)，水轮转动轴(2-3)的另一端固定有主动齿轮(2-5)，主动齿轮(2-5)与从动齿轮(2-6) 啮合，从动齿轮(2-6)固定在测速电机(2-4)的转轴上，测速电机(2-4)的输出端作为水轮测 速装置(2)的感应电动势输出端。4. 根据权利要求3所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统，其特征在于，水轮驱 动板(2-1)为8个。5. 根据权利要求3所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统，其特征在于，测速电 机(2-4)包括电机本体(2-4-2 )、电阻Rl、电压传感器(2-4-3)和电源(2-4-4); 电机本体(2-4-2)上设有电机转动轴(2-4-1 )，电机转动轴(2-4-1)为所述测速电机(2-4)的转轴，电机本体(2-4-2)与电阻Rl并联，构成并联支路，该并联支路的正极连接电压传 感器(2-4-3)的感应电动势正极端，并联支路的负极连接电压传感器(2-4-3)的感应电动势 负极端，电源(2-4-4)的正极连接电压传感器(2-4-3)的电源正极端，电源(2-4-4)的负极连 接电压传感器(2-4-3)的电源负极端，电压传感器(2-4-3)的接地端接地，电压传感器(2-4- 3)的输出端作为测速电机(2 - 4)的输出端。
【文档编号】G01P5/24GK105842474SQ201610150512
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】严浙平, 姜岸左, 张宏瀚, 陈涛, 张勋, 王璐
【申请人】哈尔滨工程大学