[發(fā)明專利]一種采用矢量推進器的無人潛水器定深航行控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810064716.2
• 申請日: 2008-06-13
• 公開（公告）號: CN101419464A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李曄;龐永杰;呂翀;萬磊;秦再白;唐旭東;張磊;陳小龍
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G05D1/04
• 分類號: G05D1/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是潛水器的運動控制方法。

(二)背景技術(shù)

潛水器的動力學(xué)系統(tǒng)是非線性的、時變的。各個自由度的運動相互耦合，海流等環(huán)境干擾力的影響較大。總之，潛水器是一個強非線性系統(tǒng)。無人潛水器控制系統(tǒng)的輸出推進裝置一般采用普通的螺旋槳，為了滿足其橫向和垂向的運動要求，產(chǎn)生上下方向、左右方向的推力，需要在艇體的橫向和垂向上至少布置兩個槽道推進器，這樣做，破壞了艇體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使得潛器為了滿足強度、下潛深度等要求要相應(yīng)增加結(jié)構(gòu)尺度(如耐壓殼體厚度)，從而增加了艇體的體積和重量，同時也使得潛器內(nèi)部的布置受到限制。從節(jié)能的意義上講，推進器的重量比增大不利于節(jié)能。矢量推進器能很好的解決上述矛盾，它僅在首尾配置推進器就能根據(jù)需要產(chǎn)生上下、左右、前后六個方向的推力，從而可以省去橫向和垂向的槽道推進器。這樣即能夠滿足結(jié)構(gòu)和強度條件要求以及總布置的要求，又能夠減少推進器的數(shù)目，提高潛水器的操縱性能，有利于潛水器的小型化、輕量化。

名稱為“無人自主水下航行器矢量推進器研究”的西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文(請增加論文的公開日和公開期刊名稱)中，提出了一種采用推力矢量技術(shù)的噴水式推進器，用以提高水下航行器的操縱性和機動性，在這一點上與本發(fā)明相同，但是如何利用矢量推進器進行控制所采用的方法完全不同。該技術(shù)方案是在具有魚雷外形的水下航行器數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，修正了采用矢量推進器的水下航行器數(shù)學(xué)模型。對模型簡化后導(dǎo)出了簡化模型的傳遞函數(shù)。根據(jù)矢量推進方式下的傳遞函數(shù)和普通推進方式下的傳遞函數(shù)，對同一水下航行器進行了仿真。另外專利申請?zhí)枮閁S?7,275,714(公告時間02/10/2007)、US2007102575(公告時間2007-05-10)、US2001049239(公告時間2001-12-06)的美國專利文件中也公開了相關(guān)的信息，但是與本發(fā)明相比各有不同。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地適應(yīng)無人潛水器強非線性動力學(xué)特性和復(fù)雜的運動關(guān)系，實現(xiàn)精確的定深航行運動控制的一種采用矢量推進器的無人潛水器定深航行控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

包括如下步驟：

1、通過相應(yīng)傳感器獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度信息；

2、將深度的偏差論域映射到縱傾角的偏差論域，改深度控制為縱傾控制，計算此時需要的縱傾方向轉(zhuǎn)矩，根據(jù)矢量推進器的力臂計算應(yīng)給出的垂直方向的力；

3、調(diào)整矢量推進器推水角度和轉(zhuǎn)速，輸出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于調(diào)節(jié)縱傾，水平方向的力用于保持速度。

本發(fā)明還可以包括：

1、通過不同自由度的運動偏差的合理映射，在深度上通過縱向運動和縱傾角度的調(diào)整聯(lián)合實現(xiàn)精確控制。

2、根據(jù)偏差論域映射計算得到應(yīng)調(diào)整矢量推進器推水角度和轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明通過不同自由度的運動偏差的合理映射，在深度上通過縱向運動和縱傾角度的調(diào)整聯(lián)合實現(xiàn)精確控制。根據(jù)偏差論域映射計算得到應(yīng)調(diào)整矢量推進器推水角度和轉(zhuǎn)速，可以提供垂向和縱向兩個方向的力，以及縱傾方向的力矩，減少了多余執(zhí)行機構(gòu)，簡化了控制輸出。既能保持速度，又能調(diào)節(jié)深度。

本發(fā)明可有效提高采用矢量推進器的無人潛水器定深航行的控制精度，實際應(yīng)用于無人潛水器控制系統(tǒng)設(shè)計，可進行水下探測，考古，水下救撈等。

(四)附圖說明

圖1集成電機推進器的矢量控制結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2定深控制轉(zhuǎn)變?yōu)榭v傾控制的示意圖；

圖3采用矢量推進器的無人潛水器定深航行試驗的數(shù)據(jù)曲線。

(五)具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

為實現(xiàn)上述目的，采用矢量推進器的無人潛水器定深航行控制方法包括步驟：

通過相應(yīng)傳感器獲取深度、縱向速度、姿態(tài)角度等信息。

將深度的偏差論域映射到縱傾角的偏差論域，改深度控制為縱傾控制，計算此時需要的縱傾方向轉(zhuǎn)矩，根據(jù)矢量推進器的力臂計算應(yīng)給出的垂直方向的力。

調(diào)整矢量推進器推水角度和轉(zhuǎn)速，輸出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于調(diào)節(jié)縱傾。水平方向的力用于保持速度。

采用矢量推進器的無人潛水器定深航行控制方法工作包括當(dāng)前位置姿態(tài)的獲取，偏差的映射，控制器的解算，執(zhí)行機構(gòu)的力學(xué)輸出。在本發(fā)明中，我們基于深度計獲取位置信息，基于多普勒速度計獲取速度信息，基于羅經(jīng)獲取姿態(tài)角信息，通過控制器解算，由矢量推進器執(zhí)行定深航行運動。