一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法与流程

本发明涉及一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，属于海洋监测技术领域。

背景技术：

内波一般处于海洋次中尺度(km级及以下)，是当前海洋学研究的热点之一。理解该尺度内波过程的关键需求是观测水体剖面密度跃层分布及波致流同步信息，特别是远离水面的水层间相互作用。目前最为普遍的观测方法是欧拉型的锚定测量，但是在细结构的研究方面存在严重的缺陷。

本发明申请的同一个申请人于2016年4月20日申请的专利名称为一种海洋剖面监测滑缆水下机器人的发明专利(公布号cn105752299a)中的滑缆水下机器人能够套在导向缆上以上下滑动方式实现水平/垂直剖面运动，填补了深海潜水器谱系中空间运动方式的一个空白；同时，该滑缆水下机器人可解决目前海洋内波监测手段缺少中小尺度水平空间结构分辨率以及现场快速部署、动态跟踪能力的瓶颈，为海洋剖面调查提供了新的技术手段与研究方法。

针对内波现场观测的典型应用而提出的滑缆水下机器人，既可作为拉格朗日平台在母船拖曳下依靠迎流机翼升力沿导向缆上下自由滑动测量，又可作为欧拉型平台固定位置依靠自身浮力调节沿着垂向缆上下攀爬测量。它在滑升斜率和水平分辨率上超越传统的拖体、锚系潜标、剖面浮标以及拖曳式ctd(温盐深传感器)，具备现场快速部署、连续剖面检测、动态跃层跟踪等作业能力，立体环境调查效率大大提高。从空间运动方式上，填补了深海潜水器谱系中的一个空白，具有比水下滑翔机和自主式水下航行器等无缆水下机器人更高的安全可靠性。与海洋温盐链相比，通过上下运动可覆盖整个深度剖面，节省了沿剖面垂向布置大批传感器节点的运行成本。因此，滑缆水下机器人可广泛应用于海洋内波监测、泥沙通量调查、海水入侵研究等时敏作业任务，将在海洋立体环境监测装备体系中具有特殊的作用与地位。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提出一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，为滑缆水下机器人的运动仿真和实际控制奠定了技术基础，对滑缆水下机器人的研制将起到重要的技术支撑作用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设定期望滑升斜率ηd；

步骤二、根据拖曳模型试验结果对应当前的导向缆角度φ以及水平拖曳速度vs插值得到预测舵角为δa；

步骤三：计算当前滑升斜率η(t)为单位时间内垂向深度差分与拖曳前进距离的比值；

步骤四：根据当前滑升斜率η(t)与期望斜率ηd的偏差量，制定pid闭环控制律，给出期望的控制舵角其中kp代表比例放大系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，t为时间；

步骤五：向水平舵机发出的实际控制舵角指令为预测舵角δa与控制舵角δd之和。

前述的一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，其特征在于：

作用在滑缆水下机器人上的相关作用力包括自身重力和浮力、本体阻力、机翼升力、机翼阻力以及滑缆摩擦阻力；

当滑缆水下机器人运动时，母船船速vs、拖曳缆角度φ和沿缆速度vc决定了迎流速度va和迎流角度θ，迎流速度va和迎流角度θ的表述分别如下式(1)和式(2)：

和

前述的一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，其特征在于：

当迎流速度θ已知时，则总的机翼升力lw和机翼阻力dw，以及它们各自沿缆向的分量lwc和dwc使用标准的二次升力和阻力方程计算为：

其中，ρ为海水密度，aw是翼面积，cl为机翼升力系数，cd为机翼阻力系数。

作用在滑缆水下机器人本体上的阻力等于滑缆摩擦阻力dbs和形状阻力dbf的总和，本体阻力沿缆的分量dbsc和dbfc，可以由下式计算

式中，abp是本体迎流面积，abs是本体湿表面积，cds是本体表面摩擦阻力系数，cdf是本体形状阻力系数。

前述的一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，其特征在于：

当滑缆水下机器人沿缆速度vc保持稳定时，沿缆的总力保持平衡，即

fc＝lwc-dwc-dbfc-dbsc-fcf·sgn(vc)(7)

式中，fc是沿缆方向滑缆水下机器人本体的综合作用力，fcf是与运动方向相反的滑缆摩擦力。

前述的一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，其特征在于：

母船船速vs、拖曳缆角度φ和滑缆水下机器人沿缆速度vc决定了其迎流速度va和迎流角度θ，综合作用下将形成稳定的剖面运动速度，运动轨迹呈锯齿状，其中，滑升斜率η定义为爬升阶段上升高度h与前进距离l的比值，即

而滑降斜率同理定义为下降阶段下潜深度与前进距离的比值；式中，vh表示水下机器人的垂向速度，vl表示表示水下机器人的水平前进速度。

前述的一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法，其特征在于，所述滑升剖面斜率控制具体如下：

设定剖面斜率为ηd，根据拖曳模型试验结果对应当前的导向缆角度φ以及水平拖曳速度vs插值得到预测舵角为δa，实际控制舵角为

式中kp代表比例放大系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，t为时间。

本发明的有益效果为：

(1)、本发明提出的一种滑缆水下机器人的剖面运动控制方法为滑缆水下机器人的运动仿真和实际控制奠定了技术基础，对滑缆水下机器人的研制将起到重要的技术支撑作用；

(2)、海洋剖面滑缆水下机器人可获得长期的海洋环境时间-空间数据序列，为科研工作者提供连续的高分辨率水平/垂向剖面数据，对于分析该布放区域的海洋环境状况尤其是内波特征的现场信息提取提供了极大的便利。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1为发明公布号cn105752299a中的滑缆水下机器人的结构示意图；

图2为本发明的剖面运动控制方法的框图；

图3为滑缆水下机器人在导向缆上的受力分析图；

图4为滑缆水下机器人的拖曳运动轨迹图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

鉴于发明公布号cn105752299a中的滑缆水下机器人，海洋剖面监测滑缆水下机器人系统由水面支持系统、导向缆绳和机器人本体三部分组成。本体自带电池，采用流线型低阻设计，包括机器人主体、水平舵和尾鳍及导向缆连接装置等部分，如图1所示，具有微正浮力。

滑缆水下机器人可依靠母船航行时的拖曳速度沿着导向缆绳在机翼升力作用下，按照编程的轨迹反复升降，控制传感器组在水柱中采样并记录数据。本发明在滑缆水下机器人模型拖曳试验的基础上，提出了其在导向缆上的滑动工作原理及剖面运动控制方法，具体如下：

(1)水下机器人在导向缆上的滑动工作原理

作用在滑缆水下机器人上的相关作用力包括自身重力和浮力、本体阻力、机翼升力、机翼阻力以及滑缆摩擦阻力等，受力分析如图3所示。

当滑缆水下机器人运动时，母船船速vs、拖曳缆角度φ和沿缆速度vc(即图3中的爬缆速度)决定了迎流速度va和迎流角度θ，可如下表述：

和

当迎流速度已知时，则总的机翼升力lw和机翼阻力dw，以及它们各自沿缆向的分量lwc和dwc可以使用标准的二次升力和阻力方程计算

其中，ρ为海水密度，aw是翼面积，cl为机翼升力系数，cd为机翼阻力系数。

作用在滑缆水下机器人本体上的阻力等于滑缆摩擦阻力dbs和形状阻力dbf的总和，本体阻力沿缆的分量dbsc和dbfc，可以由下式计算

式中，abp是本体迎流面积，abs是本体湿表面积，cds是本体表面摩擦阻力系数，cdf是本体形状阻力系数。

根据图3，当滑缆水下机器人沿缆速度vc保持稳定时，沿缆的总力保持平衡，即

fc＝lwc-dwc-dbfc-dbsc-fcf·sgn(vc)(7)

式中，fc是沿缆方向滑缆水下机器人本体的综合作用力，fcf是与运动方向相反的滑缆摩擦力。

因此，母船航速vs、拖曳缆角度φ和滑缆水下机器人沿缆速度vc决定了其迎流速度va和迎流角度θ，综合作用下将形成稳定的剖面运动速度，运动轨迹呈锯齿状，类似于水下滑翔机，如图4所示。其中，滑升斜率η定义为爬升阶段上升高度h与前进距离l的比值，即

而滑降斜率同理定义为下降阶段下潜深度与前进距离的比值。

(2)基于升降舵翼的滑缆水下机器人剖面运动控制方法

滑缆水下机器人剖面运动控制方法包括如下步骤：

步骤一、设定期望滑升斜率ηd；

步骤二、根据拖曳模型试验结果对应当前的导向缆角度φ以及水平拖曳速度vs插值得到预测舵角为δa；

步骤三：计算当前滑升斜率η(t)为单位时间内垂向深度差分与拖曳前进距离的比值；

步骤四：根据当前滑升斜率η(t)与期望斜率ηd的偏差量，制定pid闭环控制律，给出期望的控制舵角δd；

步骤五：向水平舵机发出的实际控制舵角指令为预测舵角δa与控制舵角δd之和。

如图2所示，水平舵翼的升力是滑缆水下机器人沿导向缆爬升的主导因素。对于其剖面运动，母船航速、拖曳缆形态角度是确定的，主要控制量为升降舵角，控制目标则包括滑升剖面斜率(速度控制)、深度跟踪(位置控制)两种模式。

由式(2)可知，拖曳缆角度φ越小，沿缆滑升的阻力越大，相应的，潜水器的滑升性能随之降低。此外，升降舵在拖曳迎流条件下的动力学特性表明：升降舵角越小，产生的升力分量越小；升降舵角越大，产生的升力分量越大，但舵角达到一定程度后就会饱和；较小的升降舵角对应较低的滑升斜率，过大的升降舵角将导致失速而滑升性能达到峰值。

因此，结合滑缆水下机器人的水动力性能预报与模型试验结果，本发明采用“开环补偿和闭环增量pid修正”的剖面运动控制方法，以减少升降舵角的高频调节，并达到最优的控制效果。

对于速度控制模式，设定剖面斜率为ηd，根据拖曳模型试验结果对应当前的导向缆角度φ以及水平拖曳速度vs可以插值得到预测舵角为δa，而实际控制舵角为

式中kp代表比例放大系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，t为时间。

通过开环预测补偿，可以快速求取预测舵角，提高剖面运动控制的响应速度。增量闭环控制除了经典的pid方法，也可采用其它自适应控制理论方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。