基于自适应算法的uuv水下回收控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明提供的是一种基于自适应算法的UUV水下回收控制系统及控制方法。包括水面监控计算机、使命管理计算机、动态控制计算机、视觉传感器、短基线定位声呐、姿态传感器、多普勒测速仪、主推进器和槽道辅助推进器，水面监控计算机、使命管理计算机及动态控制计算机之间通过网络进行通讯，UUV自适应回收控制系统嵌入在使命管理计算机中，视觉传感器、短基线定位声呐、姿态传感器、多普勒测速仪通过串口通信将采集到的信息送入动态控制计算机，动态控制计算机通过电信号来控制主推进器和槽道辅助推进器。本发明能够实现UUV安全、准确地回收到水下工作站上的搭载平台。
【专利说明】基于自适应算法的UUV水下回收控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种UUV返回水下工作站的自主回收控制系统。本发明涉及的是一种UUV返回水下工作站的自主回收控制方法。
【背景技术】
[0002]由于任务需要及自带能源的约束，UUV在水下工作的时间有限，必须对其进行回收来补充能量、上传数据、下载指令和维护保障。由于水下回收平台活动范围的隐蔽性及安全性需要，要求UUV的回收过程必须在不借助第三方辅助设备的条件下，实现UUV自主返回水下工作站上的搭载平台。UUV水下自主回收不仅受时间和空间的约束很小，还可节省大量的辅助设备和人力，但是目前仍有许多急需解决的关键问题，例如回收过程中UUV的复杂受力、未知环境下的非线性运动控制等。
[0003]考虑到回收坐落过程中，UUV受到的水动力特性发生剧烈变化，导致了 UUV数学模型的不确定性以及近壁面环境扰动的随机性，故采用自适应算法进行控制，原因在于对于特性参数有较大范围变化的系统，自适应控制器仍能自动地保持在某种意义下的最优运动状态。
[0004]哈尔滨工程大学侯恕萍在《机器人》(2005年第3期)发表的文章《水下机器人主动对接装置的协调控制研究》在对接裙外侧安装有四只两自由度对接机械手，用来实现在恶劣的海洋环境下水下机器人与失事潜器的准确对接，并应用离散事件系统理论实现四只机械手与水下机器人的协调控制，解决了系统的时间性问题，使之成为切实可行的控制方法。但应用机械手臂的自主回收系统结构复杂，且容易产生更多的干扰。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种可以使UUV安全、精确地实现回收坐落到搭载平台的基于自适应算法的UUV水下回收控制系统。本发明的目的还在于提供一种基于自适应算法的UUV水下回收控制方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007]本发明的基于自适应算法的UUV水下回收控制系统包括水面监控计算机1、使命管理计算机2、动态控制计算机3、视觉传感器5、短基线定位声呐6、姿态传感器7、多普勒测速仪8、主推进器9和槽道辅助推进器10，水面监控计算机1、使命管理计算机2及动态控制计算机3之间通过网络进行通讯，UUV自适应回收控制系统4嵌入在使命管理计算机2中，视觉传感器5、短基线定位声呐6、姿态传感器7、多普勒测速仪8通过串口通信将采集到的信息送入动态控制计算机3，动态控制计算机3通过电信号来控制主推进器9和槽道辅助推进器10。
[0008]本发明的基于自适应算法的UUV水下回收控制系统还可以包括:
[0009]1、视觉传感器5、短基线定位声呐6安装在UUV腹下。
[0010]2、态控制计算机3与使命管理计算机2之间的发送频率为2Hz。[0011]本发明的基于自适应算法的UUV水下回收控制方法为:
[0012]视觉传感器5、短基线定位声呐6、姿态传感器7、多普勒测速仪8采集UUV回收过程中的位姿信息，通过串口进行通信发送给动态控制计算机3，再通过网络通信传递给使命管理计算机2 ；
[0013]使命管理计算机2利用实时位姿信息与水下工作站上的搭载平台回收中心之间的偏差，运用自适应控制算法计算出控制UUV六自由度运动的控制器输出，并通过网络通讯传递给动态控制计算机3 ；
[0014]动态控制计算机3经过推力分配及运动控制解算，利用调节各执行机构的控制电压来调整主推进器9和槽道辅助推进器10的输出力和力矩，进而控制UUV在近壁面回收过程中的位置和姿态。
[0015]本发明的基于自适应算法的UUV水下回收控制方法还可以包括:
[0016]1、所述UUV回收过程中的位姿信息包括UUV的速度，随艇坐标系下UUV中心距离回收平台中心点的X、Y方向距离及Z方向高度，UUV深度、横倾角度、纵倾角度及UUV艏向与回收平台艏向间夹角。
[0017]2、所述水下工作站上的搭载平台是在水下工作站脊背上设置的专门用于UUV回收的回收搭载平台，回收搭载平台上安装有UUV锁紧装置，UUV首先从远处接近水下工作站，当到达回收搭载平台上方一定高度处时与水下工作站保持相对静止，即如果水下工作站处于运动状态，则UUV在各方向的运动速度与水下工作站保持一致，回收控制器根据位姿信息，调整UUV位置和姿态，令UUV中心到达回收搭载平台中心点正上方，且艏向与回收搭载平台艏向一致，然后UUV开始缓慢下降，直至UUV坐落在回收平台上，再利用锁紧装置将UUV固定在回收搭载平台上，使UUV可以随艇而动，即UUV回收过程结束。
[0018]3、所述令UUV中心到达回收搭载平台中心点正上方的方法为UUV距离回收点高度大于2米时采用短基线定位声呐声学导引，小于等于2米时采用视觉传感器视觉导引。
[0019]4、令UUV艏向与回收搭载平台艏向一致是采用对线控位方法。
[0020]传感器采集UUV回收过程中的位姿信息，通过串口通信发送给动态控制计算机，再通过网络通信传递给使命管理计算机；使命管理计算机中装载有UUV自适应回收控制程序，利用UUV的实时位姿状态及其与回收目标状态之间的偏差，运用自适应控制算法，计算出未知的近壁面环境下控制UUV六自由度运动所需的执行机构总输出力和力矩，并通过网络通讯把这些指令传递给动态控制计算机；动态控制计算机根据各执行机构的特点，通过运动控制解算及推力分配，并利用调节执行机构的控制电压来调整UUV回收过程的位置和姿态，实现UUV安全、准确地回收到水下工作站上的搭载平台。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明总体结构图；
[0022]图2为UUV回收过程示意图
[0023]图3为UUV回收过程控制系统结构图；
[0024]图4 (a)-图4 (b)为UUV声呐、执行机构布置图，? 4(a)为UUV的侧视图，图4 (b)为UUV的俯视图。【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做详细地描述:
[0026]图1说明本发明中各部分之间的关系，UUV回收自适应控制系统中，水面监控计算机I和动态控制计算机3为PC机，使命管理计算机2为PC104总线计算机，它们中都嵌入软件，通过局域网相互通信，用于UUV自适应控制方法自主回收；其中UUV自适应回收控制系统4嵌入在使命管理计算机2中；视觉传感器5、短基线定位声呐6、姿态传感器7和多普勒测速仪8通过串口通信，将采集数据传送给动态控制计算机；动态控制计算机3通过电信号来控制主推进器9和槽道辅助推进器10 ；
[0027]图2为UUV回收过程的示意图。当UUV回收程序被特定指令或事件触发后，UUV开始返航接近水下工作站的回收平台，直至到达回收搭载平台上方，并接近距离平台上方2m高度处。UUV接近水下工作站的过程基本上可以分解为:根据声呐设备计算出UUV艏向与水下工作站搭载平台之间的夹角，调整艏向令其夹角为0，然后利用主推进器驶向搭载平台；驶向搭载平台的过程中，如果UUV所处环境为理想静水环境，则此过程可以理解为直航，但如果环境中有海流等外界干扰存在，则此过程中可能因为需要克服干扰而使航线变长，甚至中途需要再次调整艏向，以免偏航，直至到达平台上方2m高度处；
[0028]当UUV到达水下工作站回收平台上方2m高度处，并且连续一定拍数内声呐采集的UUV高度状态仍维持在允许范围内，在UUV可以进入回收过程的坐落阶段，首先UUV需要将艏向调整为与搭载平台正向相一致，这个过程需要利用UUV上的视觉传感器和搭载平台上的电光源进行校准。当UUV艏向与搭载平台正向在一小偏差内，UUV需要保持与水下工作站的相对静止，即UUV各方向的航行速度与水下工作站的速度基本上保持一致，从而使UUV中心与回收平台中心保持在允许误差范围内的相对静止。当声呐连续采集一定拍数得到的UUV中心位置与搭载平台中心位置间的偏差仍维持在某一定范围内后，UUV便利用辅助推进器开始坐落。如果周围环境为静水，且水下工作站运动规律变化不剧烈，则此过程UUV基本可以只通过垂直坐落完成；但如果环境中存在外界干扰，或在水下工作站运动规律变化剧烈的情况下，UUV坐落的过程中可能仍需要几次的调整艏向和与搭载平台间的相对位置，以保证最终坐落位置的精确性。搭载平台上安装有UUV锁紧装置，当UUV最终坐落到回收平台上时，锁紧装置将UUV固定在回收平台上，则UUV便能够随艇而动，且可以进行充电或数据传输等工作，完成整个回收过程。
[0029]根据图3所示，UUV回收过程的自适应控制系统包括以下几个步骤:
[0030]( I )当UUV完成预期任务后，使命管理计算机2下达回收指令，UUV开始进入回收阶段；
[0031]( II )视觉传感器5、短基线定位声呐6、姿态传感器7和多普勒测速仪8采集UUV回收过程中的位置和姿态信息，并通过串口传递给动态控制计算机3，动态控制计算机对多传感器数据进行处理和融合，将融合后的UUV位姿信息通过网络通信传送给水面监控计算机I进行实时监控和显示；通过这些信息，可以实时知道UUV的纵向速度、UUV中心与搭载平台中心间的位置和姿态偏差；
[0032](III )将经过处理的UUV实时位姿信息与回收的期望位姿进行比较，得到偏差值，应用实时位姿和偏差值设计的自适应估计机制为
[0033]a = -rYTs[0034]上式中:&—为UUV回收过程的各项未知的水动力系数的估计值的导数；
[0035]gamma——为设计的一个正定对称阵；
[0036]Y——为各项水动力系数对应的UUV系统状态参量；
[0037]s——为UUV的实际速度误差向量。
[0038]对未知的水动力项进行在线估计，并将其估计值带入自适应控制规律，得到
【权利要求】
1.一种基于自适应算法的UUV水下回收控制系统，其特征是:包括水面监控计算机(I)、使命管理计算机(2 )、动态控制计算机(3 )、视觉传感器(5 )、短基线定位声呐(6 )、姿态传感器(7)和多普勒测速仪(8)，水面监控计算机(I)、使命管理计算机(2)及动态控制计算机(3)之间通过网络进行通讯，UUV自适应回收控制系统(4)嵌入在使命管理计算机(2)中，视觉传感器(5)、短基线定位声呐(6)、姿态传感器(7)、多普勒测速仪(8)通过串口通信将采集到的信息送入动态控制计算机(3)，动态控制计算机(3)通过电信号来控制主推进器(9)和槽道辅助推进器(10)。
2.根据权利要求1所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制系统，其特征是:视觉传感器(5)、短基线定位声呐(6)安装在UUV腹下。
3.根据权利要求1或2所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制系统，其特征是:态控制计算机(3)与使命管理计算机(2)之间的发送频率为2Hz。
4.基于权利要求1所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制系统的控制方法，其特征是: 视觉传感器(5)、短基线定位声呐(6)、姿态传感器(7)、多普勒测速仪(8)采集UUV回收过程中的位姿信息，通过串口进行通信发送给动态控制计算机(3)，再通过网络通信传递给使命管理计算机(2); 使命管理计算机(2)利用实时位姿信息与水下工作站上的搭载平台回收中心之间的偏差，运用自适应控制算法计算出控制UUV六自由度运动的控制器输出，并通过网络通讯传递给动态控制计算机(3)； 动态控制计算机(3)经过推力分配及运动控制解算，利用调节各执行机构的控制电压来调整主推进器(9)和槽道辅助推进器(10)的输出力和力矩，进而控制UUV在近壁面回收过程中的位置和姿态。
5.根据权利要求4所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:所述UUV回收过程中的位姿信息包括UUV的速度，随艇坐标系下UUV中心距离回收平台中心点的X、Y方向距离及Z方向高度，UUV深度、横倾角度、纵倾角度及UUV艏向与回收平台艏向间夹角。
6.根据权利要求4或5所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:所述水下工作站上的搭载平台是在水下工作站脊背上设置的专门用于UUV回收的回收搭载平台，回收搭载平台上安装有UUV锁紧装置，UUV首先从远处接近水下工作站，当到达回收搭载平台上方一定高度处时与水下工作站保持相对静止，即如果水下工作站处于运动状态，则UUV在各方向的运动速度与水下工作站保持一致，回收控制器根据位姿信息，调整UUV位置和姿态，令UUV中心到达回收搭载平台中心点正上方，且艏向与回收搭载平台艏向一致，然后UUV开始缓慢下降，直至UUV坐落在回收平台上，再利用锁紧装置将UUV固定在回收搭载平台上，使UUV可以随艇而动，即UUV回收过程结束。
7.根据权利要求6所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:所述令UUV中心到达回收搭载平台中心点正上方的方法为UUV距离回收点高度大于2米时采用短基线定位声呐声学导引，小于等于2米时采用视觉传感器视觉导引。
8.根据权利要求6所述的基于自适应算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:令UUV艏向与回收搭载平台艏向一致是采用对线控位方法。
【文档编号】G05B13/02GK103455037SQ201310433161
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】张伟, 徐达, 严浙平, 边信黔, 李本银, 周佳加 申请人:哈尔滨工程大学