无人艇转速差动减摇增稳系统及方法与流程

本发明涉及一种无人艇减摇增稳系统及方法，主要应用在无人艇控制技术领域，能够改善无人艇的操纵品质。

背景技术：

作为一种无人海上运载平台，高速无人艇可在海洋中承担高航速、长航时、低成本、大范围、免维护的科学考察和军事任务。因此高速无人艇在军事和民用领域具有极其广泛的应用前景，如生物研究、水文观测、海图绘制、环境监测、通讯中继、资源勘探、领海巡逻、走私缉毒、潜艇跟踪、情报搜集和对舰攻击等任务。

为了减小高速无人艇的阻力，通常其艇身为细长体形。因此高速无人艇转动惯量小，横向稳定性差。不仅容易出现摇摆现象，影响平台稳定；而且容易在急弯和强风条件下发生侧翻，造成严重事故。

为改善高速无人艇的操纵品质，通常采用的减摇增稳措施包括：双体船、舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等。双体船能够增强船舶的稳定性，但会显著增加无人艇的宽度，不利于母舰搭载；舭龙骨是广泛应用的简单被动减摇装置，不能提供主动减摇措施，而且会增加航行阻力；减摇鳍是一种主动减摇装置，需要在艇身外侧安装减摇鳍及其舵机，增加了制造成本和系统复杂度；减摇水舱通过在船身内部安装水舱实现减摇，但占地大、功耗高，现在已较少使用。

为了改善高速无人艇的操纵品质，提出了双螺旋桨-双尾舵协调减摇增稳方法。本发明利用了双螺旋桨的反扭矩，通过转速差动产生减摇力矩，实现滚转角速度增稳；利用双尾舵产生偏航力矩，不仅克服双螺旋桨转速差动导致的偏航力矩，同时实现偏航角速度增稳。与传统的减摇增稳方法相比，本发明结构简单、重量轻、功耗低，便于高速无人艇搭载。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中无人艇转动惯量小，横向稳定性差，易侧翻的不足，本发明提供一种无人艇转速差动减摇增稳系统及方法，改善了无人艇的操纵品质。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种无人艇转速差动减摇增稳系统，包括推进部、推进控制部、尾舵部和尾舵控制部，其中，

推进部包括左螺旋桨推进器、左驱动机构、右螺旋桨推进器和右驱动机构，并有：

所述左驱动机构驱动左螺旋桨推进器，所述右驱动机构驱动右螺旋桨推进器，所述左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器旋转方向相反，在产生推力的同时，通过转速差动产生滚转力矩；

推进控制部包括滚转角速度陀螺、滚转角速度指令器和滚转角速度控制器，并有：滚转角速度指令器和滚转角速度控制器依次连接至推进部，滚转角速度陀螺连接至滚转角速度控制器；

尾舵部包括左舵、左舵机、右舵和右舵机，并有：左舵机用于驱动左舵，右舵机用于驱动右舵，左舵和右舵同步偏转，共同产生偏航力矩；

尾舵控制部包括偏航角速度陀螺、偏航角速度指令器和偏航角速度控制器，并有：偏航角速度指令器和偏航角速度控制器依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺连接至偏航角速度控制器。

一种无人艇转速差动减摇增稳方法，包括上述的无人艇减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳和控制，以及偏航角速度增稳和控制的步骤，其中，

滚转角速度增稳和控制的具体步骤包括：

滚转角速度指令器与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令up，并发送给滚转角速度控制器，其中，up计算公式为：

up＝kφeφ(1)

其中，kφ是指令系数。

同时，滚转角速度陀螺检测无人艇的滚转角速度p，并发送给滚转角速度控制器。

然后，滚转角速度控制器根据滚转角速度指令up和滚转角速度p，计算滚转角速度误差ep；滚转角速度控制器根据滚转角速度误差ep生成转速差动增量控制指令uδω，从而获得左螺旋桨推进器的转速增量控制指令uωl和右螺旋桨推进器的转速增量控制指令uωr，且uωl和uωr大小相等，方向相反；相关计算公式为：

其中，是控制比例系数；p是滚转角速度陀螺检测到的滚转角速度；ωl0和ωr0分别是左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器原有的转速；uδωl和uδωr是幅值相同、符号相反的差动增量控制指令，并发送给推进部的左驱动机构和右驱动机构。

左驱动机构和右驱动机构分别根据uδωl和uδωr，驱动左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器达到相对应的转速ωl和ωr；

由于螺旋桨扭矩τ与转速的平方ω²成正比，因此在左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器产生差动转速的情况下，可产生对艇体的滚转力矩l及对应的滚转角速度p，计算公式为：

其中，i是无人艇的滚转转动惯量，τl和τr分别是左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器的反扭矩；通过改变左螺旋桨推进器的转速ωl和右螺旋桨推进器的转速ωr，可以调整艇体的滚转力矩l及对应的滚转角速度p，从而实现对艇体滚转角速度p的增稳和控制。

然而在改变左螺旋桨推进器的转速ωl和右螺旋桨推进器的转速ωr的过程中，会导致左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器的推力出现差动，进而产生不必要的偏航力矩nω；为了克服所述偏航力矩nω的影响，需协同采用尾舵控制，因此，还包括偏航角速度增稳和控制。

偏航角速度增稳和控制的具体步骤包括：

偏航角速度指令器与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令ur，并发送给偏航角速度控制器，ur的计算公式为：

ur＝kψeψ(4)

其中，kψ是指令系数。

同时，偏航角速度陀螺检测无人艇的偏航角速度r，并发送给偏航角速度控制器。

然后，偏航角速度控制器根据偏航角速度指令ur和偏航角速度r，计算偏航角速度误差er；接着，偏航角速度控制器根据偏航角速度误差er生成尾舵同步控制指令uθ，从而获得左舵控制指令uθl与右舵控制指令uθr，且左舵控制指令uθl与右舵控制指令uθr大小相等，方向相同，公式为：

其中，是控制比例系数，r是偏航角速度陀螺检测到的偏航角速度，uθl和uθr是相同的舵面控制指令。

偏航角速度控制器将uθl和uθr发送给尾舵部的左舵机和右舵机；在uθl和uθr的作用下，左舵和右舵同步偏转，产生偏航力矩n和对应的偏航角速度r，实现了偏航角速度增稳和控制。

通过协调控制推进部和尾舵部，在对滚转角速度增稳和控制的同时，克服了左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器转速差动产生的偏航力矩扰动，并实现了偏航角速度增稳和控制。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种无人艇减摇增稳系统及方法，通过利用左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器的反扭矩，实现对无人艇滚转运动的增稳和控制；通过利用左舵和右舵的偏航力矩，克服左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器产生的偏航角速度扰动，同时产生期望的偏航角速度；本发明组合使用双螺旋桨推进器和双舵面作为无人艇的减摇增稳和控制方式，在减摇增稳的同时，能产生期望的偏航角速度，改善无人艇的操纵品质；与传统的减摇增稳和控制方法相比，本发明还有原理简单、调整方便、适应范围宽的优点。

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是无人艇转速差动减摇增稳系统及方法在无人艇上搭载的后视图。

图2是无人艇转速差动减摇增稳系统及方法在无人艇上搭载的侧视图。

图3是无人艇转速差动减摇增稳系统及方法的流程图。

图中：1.无人艇，2.左螺旋桨推进器，21.左驱动机构，3.右螺旋桨推进器，31.右驱动机构，4.左舵，41.左舵机，5.右舵，51.右舵机，6.滚转角速度陀螺，61.滚转角速度指令器，62.滚转角速度控制器，7.偏航角速度陀螺，71.偏航角速度指令器，72.偏航角速度控制器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1和图2所示，本发明的一种无人艇转速差动减摇增稳系统，主要包括设置在无人艇1上的推进部、推进控制部、尾舵部和尾舵控制部四个部分，推进控制部控制推进部，尾舵控制部控制尾舵部，其中：

推进部，包括左螺旋桨推进器2、左驱动机构21、右螺旋桨推进器3和右驱动机构31，并有：

所述左驱动机构21驱动左螺旋桨推进器2，所述右驱动机构31驱动右螺旋桨推进器3；左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3两者旋转方向相反，在产生推力的同时，通过转速差动可产生滚转力矩。

推进控制部包括滚转角速度陀螺6、滚转角速度指令器61和滚转角速度控制器62，并有：滚转角速度指令器61和滚转角速度控制器62依次连接至推进部，滚转角速度陀螺6连接至滚转角速度控制器62。

尾舵部包括左舵4、左舵机41、右舵5和右舵机51，并有：左舵机41用于驱动左舵4，右舵机51用于驱动右舵5，左舵4和右舵5同步偏转，共同产生偏航力矩。

尾舵控制部包括偏航角速度陀螺7、偏航角速度指令器71和偏航角速度控制器72，并有：偏航角速度指令器71和偏航角速度控制器72依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺7连接至偏航角速度控制器72。

如图3所示，一种无人艇转速差动减摇增稳方法，包括上述的无人艇1减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳和控制，以及偏航角速度增稳和控制的步骤，其中，

滚转角速度增稳和控制的具体步骤包括：

滚转角速度指令器61与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令up，并发送给滚转角速度控制器62，其中，up计算公式为：

up＝kφeφ(1)

其中，kφ是指令系数。

同时，滚转角速度陀螺6检测无人艇1的滚转角速度p，并发送给滚转角速度控制器62。

然后，滚转角速度控制器62根据滚转角速度指令up和滚转角速度p，计算滚转角速度误差ep；滚转角速度控制器62根据滚转角速度误差ep生成转速差动增量控制指令uδω，从而获得左螺旋桨推进器2的转速增量控制指令uωl和右螺旋桨推进器3的转速增量控制指令uωr，且uωl和uωr大小相等，方向相反；相关计算公式为：

其中，是控制比例系数；p是滚转角速度陀螺6检测到的滚转角速度；ωl0和ωr0分别是左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3原有的转速；uδωl和uδωr是幅值相同、符号相反的差动增量控制指令，并发送给推进部的左驱动机构21和右驱动机构31。

左驱动机构21和右驱动机构31分别根据uδωl和uδωr，驱动左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3达到相对应的转速ωl和ωr；

由于螺旋桨扭矩τ与转速的平方ω²成正比，因此在左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3产生差动转速的情况下，可产生对艇体的滚转力矩l及对应的滚转角速度p，计算公式为：

其中，i是无人艇1的滚转转动惯量，τl和τr分别是左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3的反扭矩；通过改变左螺旋桨推进器2的转速ωl和右螺旋桨推进器3的转速ωr，可以调整艇体的滚转力矩l及对应的滚转角速度p，从而实现对艇体滚转角速度p的增稳和控制。

然而在改变左螺旋桨推进器2的转速ωl和右螺旋桨推进器3的转速ωr的过程中，会导致左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3的推力出现差动，进而产生不必要的偏航力矩nω；为了克服所述偏航力矩nω的影响，需协同采用尾舵控制，因此，还包括偏航角速度增稳和控制。

偏航角速度增稳和控制的具体步骤包括：

偏航角速度指令器71与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令ur，并发送给偏航角速度控制器72，ur的计算公式为：

ur＝kψeψ(4)

其中，kψ是指令系数。

同时，偏航角速度陀螺7检测无人艇1的偏航角速度r，并发送给偏航角速度控制器72。

然后，偏航角速度控制器72根据偏航角速度指令ur和偏航角速度r，计算偏航角速度误差er；接着，偏航角速度控制器72根据偏航角速度误差er生成尾舵同步控制指令uθ，从而获得左舵4控制指令uθl与右舵5控制指令uθr，且左舵4控制指令uθl与右舵5控制指令uθr大小相等，方向相同，公式为：

其中，是控制比例系数，r是偏航角速度陀螺7检测到的偏航角速度，uθl和uθr是相同的舵面控制指令。

偏航角速度控制器72将uθl和uθr发送给尾舵部的左舵机41和右舵机51；在uθl和uθr的作用下，左舵4和右舵5同步偏转，产生偏航力矩n和对应的偏航角速度r，实现了偏航角速度增稳和控制。

通过协调控制推进部和尾舵部，在对滚转角速度增稳和控制的同时，克服了左螺旋桨推进器2和右螺旋桨推进器3转速差动产生的偏航力矩扰动，并实现了偏航角速度增稳和控制。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。