一种自主水下航行器四通道耦合控制方法与流程

本发明涉及一种自主水下航行器控制方法，特别是对于螺旋桨推进加十字舵面布局的回转体自主水下航行器控制方法，属于水下航行器控制领域。

背景技术

用于海洋探测与海底观测的无人潜水器(unmannedunderwatervehicle，简称uuv)可分为遥控水下航行器(remoteoperatedvehicle，简称rov)和自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle，简称auv)两种。与rov相比，auv作为一种水下自主运载工具，依靠自身所携带的能源航行，可完成水下测量、物品投送等任务，在军事海洋侦察、海洋环境监测、油田勘测等领域有着重要的作用。auv具有活动范围与深度大、无脐带限制、可进入复杂结构体中、无需复杂水面支持系统、占用甲板小、运行维修费用低等优点。

目前，回转体auv舵面多采用十字形布局或者x型布局，与十字形布局不同的是x型布局需要把转矩分配到旋转了45°之后的四个舵面。但是无论是哪一种舵面布局，都存在auv纵剖面与大地坐标系垂直面不总是重合的问题，因此固定的转矩和舵角分配方法会造成一定的误差和机动性损失，尤其带来转弯时的深度波动。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种采用十字舵面布局，同时对于任意横滚角下都适用的auv四通道耦合控制方法。通过该控制方法计算相应执行机构指令，控制auv稳定航行和有效作业。auv控制方法主要包括：auv纵平面运动控制算法、auv水平面运动控制算法、auv横滚控制算法、auv舵角分配算法、auv速度控制算法。

本发明的技术方案为：

所述一种自主水下航行器四通道耦合控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：分别计算纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩：

auv纵平面运动控制采用auv深度控制，根据auv每个控制周期测量的深度、俯仰角和俯仰角速度，按照以下公式进行混合计算得到纵平面控制力矩：

其中depth、depthref和deptherr分别为深度、参考深度和深度误差；θ和ωz分别为俯仰角和俯仰角速度；αf为auv自由角；kpd、kid、kpθ和kdθ分别为深度比例系数、深度积分系数、俯仰角比例系数和俯仰角微分系数；le为纵平面控制力矩；

auv水平面运动控制采用auv航向角控制，根据auv每个周期测量的航向角和航向角速度，按照以下公式经过混合计算得出水平面控制力矩：

其中ψ、ψref和ψerr分别为航向角、参考航向角和航向角误差；ωy为航向角速度；kpψ和kdψ分别为航向角比例系数和航向角微分系数；lr为水平面控制力矩；

auv横滚控制采用auv横滚角控制，根据auv每个周期测量的横滚角和横滚角速度，按照以下公式经过混合计算得出横滚角控制力矩：

其中和ωx分别为横滚角和横滚角速度；和分别为横滚角比例系数和横滚角微分系数；ld为横滚控制力矩；

步骤2：根据步骤1计算得到的纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩，采用以下公式进行auv舵角分配，将纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩分配到auv的四个舵面上，通过舵面产生需要的控制力矩：

其中，d＝[dudddldr]^t为auv上、下、左、右四个舵角值；kld为力矩舵角转换系数；

为加入横滚角修正的舵角分配矩阵；

步骤3：auv速度控制采用以下公式计算转速指令，调节auv主推进电机的转速控制auv的速度：

其中f为速度与转速对应关系映射；vr为参考速度；为第k次速度误差；ke为误差积分系数；r为转速指令；

步骤4：将步骤2和步骤3得到的舵角和转速指令发送到auv执行机构执行。

有益效果

1、本发明通过控制算法，使单桨加十字舵型auv通过周期性控制舵角和转速，实现了auv稳定航行。

2、本发明中采用的舵角分配算法考虑到了auv横滚带来的影响，对任意横滚角下的auv都适用，特别是当auv横滚角非零时，比传统的静态舵分配方法具有更好的控制效果。

3、本发明对于x型舵面auv同样适用，只需对舵角分配矩阵稍作修改即可。

4、本发明逻辑简单，计算量小，容易实现。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1auv平台示意图

图2本发明控制方法流程图

图3auv航行轨迹曲线

图4auv航行姿态角曲线

图5auv航行深度曲线

图6auv航行速度曲线

具体实施方式

本发明提出一种采用十字舵面布局，同时对于任意横滚角下都适用的auv四通道耦合控制方法。通过该控制方法计算相应执行机构指令，控制auv稳定航行和有效作业。具体包括以下步骤：

步骤1：分别计算纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩：

auv纵平面运动控制采用auv深度控制，根据auv每个控制周期测量的深度、俯仰角和俯仰角速度，按照以下公式进行混合计算得到纵平面控制力矩：

其中depth、depthref和deptherr分别为深度、参考深度和深度误差；θ和ωz分别为俯仰角和俯仰角速度；αf为auv自由角；kpd、kid、kpθ和kdθ分别为深度比例系数、深度积分系数、俯仰角比例系数和俯仰角微分系数；le为纵平面控制力矩；

auv水平面运动控制采用auv航向角控制，根据auv每个周期测量的航向角和航向角速度，按照以下公式经过混合计算得出水平面控制力矩：

其中ψ、ψref和ψerr分别为航向角、参考航向角和航向角误差；ωy为航向角速度；kpψ和kdψ分别为航向角比例系数和航向角微分系数；lr为水平面控制力矩；

auv横滚控制采用auv横滚角控制，根据auv每个周期测量的横滚角和横滚角速度，按照以下公式经过混合计算得出横滚角控制力矩：

其中和ωx分别为横滚角和横滚角速度；和分别为横滚角比例系数和横滚角微分系数；ld为横滚控制力矩；

步骤2：根据步骤1计算得到的纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩，采用以下公式进行auv舵角分配，将纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩分配到auv的四个舵面上，通过舵面产生需要的控制力矩：

其中，d＝[dudddldr]^t为auv上、下、左、右四个舵角值；kld为力矩舵角转换系数；

为加入横滚角修正的舵角分配矩阵；

步骤3：auv速度控制采用以下公式计算转速指令，调节auv主推进电机的转速控制auv的速度：

其中f为速度与转速对应关系映射，可以通过试验获得；vr为参考速度；为第k次速度误差；ke为误差积分系数；r为转速指令；

步骤4：将步骤2和步骤3得到的舵角和转速指令发送到auv执行机构执行。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

便携式自主水下航行器如图1所示，auv的艉部安装螺旋桨和四个舵面，采用十字形舵面布局。控制流程通过如下方案实现：

如图2所示为auv控制方法流程图，当新的控制周期开始时，首先分别获取姿态传感器和深度传感器数据，将各数据进行滤波处理；然后分别进行纵平面控制计算、水平面控制计算和横滚控制计算；之后进行舵角分配计算，将控制力矩分配到四个舵面上，得到操舵角度；然后获取速度传感器信息，进行滤波之后进行速度控制计算，得到控制转速指令；最后将舵角和转速指令发送到执行机构执行，本控制周期结束。

在整个auv的自主航行过程中，在每个周期内都不断重复上述控制流程。附图3、4、5、6分别为auv一次实际航行中的航行轨迹曲线、auv航行姿态角曲线、auv航行深度曲线和auv航行速度曲线。本次航行的任务信息为：

航路点：1.东经111°36′0″北纬32°46′300″

2.东经111°33′0″北纬32°46′300″

3.东经111°33′0″北纬32°43′300″

4.东经111°34′12.9″北纬32°45′08.3″

航行深度：5m；航行速度：2m/s

从航行曲线可以得出航行器航行稳定且航行曲线跟随预设航行参数。因此经过实验验证此控制方法稳定有效，能够稳定的控制auv的航向、深度和速度。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。