无人艇桨距-转速差动减摇增稳系统的制作方法

本实用新型涉及一种无人艇桨距-转速差动减摇增稳系统，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、减摇水舱和舵减摇等。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；舵减摇通过尾舵偏转产生附加的滚转力矩，因此在工作过程中会引入不必要的偏航力矩。

为了改善高速无人艇的操纵品质，提出了无人艇双螺旋桨减摇增稳系统及方法。本实用新型利用了双螺旋桨的反扭矩，通过桨距差动和转速差动，直接产生快速稳定的减摇力矩，实现滚转角速度增稳；通过调整桨距差动和转速差动的操纵增益，可组成多种时变的匹配控制方式；利用双尾舵产生偏航力矩，不仅克服双螺旋桨桨距差动和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，本实用新型避免了减摇过程中产生的不必要偏航力矩，而且结构简单、重量轻、功耗低，便于高速无人艇搭载。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型提供一种无人艇桨距-转速差动减摇增稳系统及方法，改善了无人艇的操纵品质。

本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种无人艇桨距-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，

推进部包括左变距螺旋桨、左驱动机构、右变距螺旋桨和右驱动机构，并有：

所述左驱动机构驱动左变距螺旋桨，所述右驱动机构驱动右变距螺旋桨，所述左变距螺旋桨和右变距螺旋桨旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；

优选地，根据发动机的油耗-功率曲线选择发动机的经济转速，以及对应的左变距螺旋桨与右变距螺旋桨的转速范围；

优选地，以桨距差动为主，转速差动为辅，通过对左变距螺旋桨与右变距螺旋桨的转速进行差动控制，辅助桨距差动进一步增强滚转力矩；

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。

一种无人艇桨距-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-桨距指令uLat；

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；根据转速-桨距指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ1uLat和转速增量指令uΔΩ＝λΩuLat；进而获得左变距螺旋桨的桨距增量控制指令uΔθL＝uΔθ和右变距螺旋桨的桨距增量控制指令uΔθR＝-uΔθ，其中uΔθL和uΔθR大小相等，方向相反；以及左驱动机构的转速增量指令uΔΩL＝uΔΩ和uΔΩR＝-uΔΩ，其中uΔΩL和uΔΩR大小相等，方向相反；计算公式为：

其中，θL0和θR0分别是左变距螺旋桨和右变距螺旋桨原有的桨距；Δ表示增量；uΔθL和uΔθR是幅值相同、符号相反的差动桨距增量控制指令；uθL和uθR是合成后的桨距指令，并分别发送给左变距螺旋桨和右变距螺旋桨；左变距螺旋桨和右变距螺旋桨根据uθL和uθR，达到相应的桨距角θL和θR；

其中，ΩL0和ΩR0分别是左变距螺旋桨和右变距螺旋桨原有的转速；uΔΩL和uΔΩR是幅值相同、符号相反的差动转速增量控制指令；uΩL和uΩR是合成后的转速控制指令，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uΔθL和uΔθR，驱动左变距螺旋桨和右变距螺旋桨达到相对应的转速ΩL和ΩR；

其中，和分别用于桨距增量控制指令uΔθ和转速增量控制指令uΔΩ的操纵功效因子，λθ或λΩ为1表征桨距增量控制或转速增量控制完全有效，为0表征桨距增量控制或转速增量控制完全失效；改变λθ和λΩ可产生不同的控制方式。

可选地，λθ＝1,λΩ＝0对应于完全采用桨距差动的增稳方式，其优点是操纵响应快，螺旋桨驱动机构的工作压力小；其缺点是控制增益较转速差动偏小；

可选地，λθ＝0,λΩ＝1对应于完全采用转速差动的增稳方式，其优点是控制增益高于转速差动；其缺点是操纵响应慢，螺旋桨驱动机构的工作压力大；

优选地，λθ＝1,λΩ＝1对应于同时采用桨距差动和转速差动的增稳方式，以桨距差动作为快速响应控制方式，以转速差动作为增强补充控制方式，其优点是控制增益大，响应速度快；通过限制转速差动的响应速度，可以降低对螺旋桨驱动机构的工作压力。

优选地，λθ＝fθ(t),λΩ＝fΩ(t)为根据工作状态而实时调整的时变参数，可进一步增强桨距差动和转速差动的混合控制效果，并降低螺旋桨驱动机构的工作压力。

由于螺旋桨扭矩τ与桨距角θ成正比，与转速的平方Ω²成正比，因此左变距螺旋桨和右变距螺旋桨产生桨距差动或转速差动的情况下，分别对艇体产生滚转力矩Lθ和LΩ，忽略高阶项的小扰动计算公式为：

其中，Ixx是无人艇的滚转转动惯量，τL和τR分别是左变距螺旋桨和右变距螺旋桨的反扭矩，因此通过改变左变距螺旋桨的转速ΩL和右变距螺旋桨的转速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。

然而在改变左变距螺旋桨的转速ΩL和右变距螺旋桨的转速ΩR的过程中，会导致左变距螺旋桨和右变距螺旋桨的推力出现差动，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，需协同尾舵同步偏转产生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 (6)

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uRud，从而获得左舵控制指令uδL与右舵控制指令uδR，且左舵控制指令uδL与右舵控制指令uδR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，uδL和uδR是相同的舵面控制指令。

偏航角速度控制器将uδL和uδR发送给尾舵部的左舵机和右舵机；在uδL和uδR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。

其中，Izz是无人艇的偏航转动惯量，ζ是尾舵的舵效系数，ηL和ηR分别是左舵和右舵的初始偏航力矩；Δ表示增量；

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，克服了左变距螺旋桨和右变距螺旋桨桨距差动和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。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种无人艇双螺旋桨减摇增稳系统及方法，通过桨距差动和转速差动，改变左变距螺旋桨和右变距螺旋桨的反扭矩，产生可控的滚转力矩，实现对无人艇滚转运动的增稳和控制；通过左舵和右舵的同步偏转，产生可控的偏航力矩，克服左变距螺旋桨和右变距螺旋桨产生的偏航角速度扰动，同时产生期望的偏航角速度；本实用新型组合使用双螺旋桨的桨距-转速差动和双舵面同步偏转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；与传统的减摇增稳控制方法相比，本实用新型还有原理简单、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实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型在无人艇上搭载的后视图。

图2是本实用新型在无人艇上搭载的侧视图。

图3是本实用新型的流程图。

图中：1.无人艇，2.左变距螺旋桨，21.左驱动机构，3.右变距螺旋桨，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

现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1和图2所示，本实用新型的一种无人艇桨距-转速差动减摇增稳系统，主要包括一种无人艇1双螺旋桨减摇增稳系统及方法，包括推进部、推进控制部、尾舵部和尾舵控制部，其中，

推进部包括左变距螺旋桨2、左驱动机构21、右变距螺旋桨3和右驱动机构31，并有：

所述左驱动机构21驱动左变距螺旋桨2，所述右驱动机构31驱动右变距螺旋桨3，所述左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；

优选地，根据发动机的油耗-功率曲线选择发动机的经济转速，以及对应的左变距螺旋桨2与右变距螺旋桨3的转速范围；

优选地，以桨距差动为主，转速差动为辅，通过对左变距螺旋桨2与右变距螺旋桨3的转速进行差动控制，辅助桨距差动进一步增强滚转力矩；

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。

一种无人艇桨距-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-桨距指令uLat；

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；根据转速-桨距指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ1uLat和转速增量指令uΔΩ＝λΩuLat；进而获得左变距螺旋桨2的桨距增量控制指令uΔθL＝uΔθ和右变距螺旋桨3的桨距增量控制指令uΔθR＝-uΔθ，其中uΔθL和uΔθR大小相等，方向相反；以及左驱动机构21的转速增量指令uΔΩL＝uΔΩ和uΔΩR＝-uΔΩ，其中uΔΩL和uΔΩR大小相等，方向相反；计算公式为：

其中，θL0和θR0分别是左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3原有的桨距；Δ表示增量；uΔθL和uΔθR是幅值相同、符号相反的差动桨距增量控制指令；uθL和uθR是合成后的桨距指令，并分别发送给左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3；左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3根据uθL和uθR，达到相应的桨距角θL和θR；

其中，ΩL0和ΩR0分别是左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3原有的转速；uΔΩL和uΔΩR是幅值相同、符号相反的差动转速增量控制指令；uΩL和uΩR是合成后的转速控制指令，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uΔθL和uΔθR，驱动左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3达到相对应的转速ΩL和ΩR；

其中，和分别用于桨距增量控制指令uΔθ和转速增量控制指令uΔΩ的操纵功效因子，λθ或λΩ为1表征桨距增量控制或转速增量控制完全有效，为0表征桨距增量控制或转速增量控制完全失效；改变λθ和λΩ可产生不同的控制方式；

可选地，λθ＝1,λΩ＝0对应于完全采用桨距差动的增稳方式，其优点是操纵响应快，螺旋桨驱动机构的工作压力小；其缺点是控制增益较转速差动偏小；

可选地，λθ＝0,λΩ＝1对应于完全采用转速差动的增稳方式，其优点是控制增益较转速差动偏大；其缺点是操纵响应慢，螺旋桨驱动机构的工作压力大；

优选地，λθ＝1,λΩ＝1对应于同时采用桨距差动和转速差动的增稳方式，以桨距差动作为快速响应控制方式，以转速差动作为增强补充控制方式，其优点是控制增益大，响应速度快；通过限制转速差动的响应速度，可以降低对螺旋桨驱动机构的工作压力。

优选地，λθ＝fθ(t),λΩ＝fΩ(t)为根据工作状态而实时调整的时变参数，可进一步增强桨距差动和转速差动的混合控制效果，并降低螺旋桨驱动机构的工作压力。

由于螺旋桨扭矩τ与桨距角θ成正比，与转速的平方Ω²成正比，因此左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3产生桨距差动或转速差动的情况下，分别对艇体产生滚转力矩Lθ和LΩ，忽略高阶项的小扰动计算公式为：

其中，Ixx是无人艇1的滚转转动惯量，τL和τR分别是左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3的反扭矩，因此通过改变左变距螺旋桨2的转速ΩL和右变距螺旋桨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。

然而在改变左变距螺旋桨2的转速ΩL和右变距螺旋桨3的转速ΩR的过程中，会导致左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨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，需协同尾舵同步偏转产生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 (6)

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uRud，从而获得左舵4控制指令uδL与右舵5控制指令uδR，且左舵4控制指令uδL与右舵5控制指令uδR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，uδL和uδR是相同的舵面控制指令。

偏航角速度控制器72将uδL和uδR发送给尾舵部的左舵机41和右舵机51；在uδL和uδR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。

其中，Izz是无人艇1的偏航转动惯量，ζ是尾舵的舵效系数，ηL和ηR分别是左舵4和右舵5的初始偏航力矩；Δ表示增量；

通过协调控制推进部和尾舵部，在对滚转角速度增稳的同时，克服了左变距螺旋桨2和右变距螺旋桨3桨距差动和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。

以上述依据本实用新型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实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型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。