[發明專利]一種大型重載水下滑翔機及其控制方法

在審

• 申請號: 201910895956.5
• 申請日: 2019-09-21
• 公開（公告）號: CN110641664A
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 王樹新;王延輝;張宏偉;楊紹瓊;張連洪;劉玉紅;馬偉;楊亞楠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B63G8/14
• 分類號: B63G8/14;B63G8/22
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 劉子文

1.一種大型重載水下滑翔機，其特征在于，包括滑翔機機身、第一浮力驅動單元、第二浮力驅動單元、能源單元、機翼單元、導航定位單元、控制單元、垂直尾舵和姿態調節單元，從滑翔機機身艏部到艉部放置在滑翔機機身內部的組成單元依次為：第一浮力驅動單元、能源單元、第二浮力驅動單元、導航定位單元、控制單元和垂直尾舵；姿態調節單元位于能源單元的下方，姿態調節單元包括移動重物、絲杠、絲母、聯軸器和姿態調節電機。

2.根據權利要求1所述的一種大型重載水下滑翔機，其特征在于，所述滑翔機機身采用玻璃鋼材質；所述第一浮力驅動單元包括：初級泵驅動器A、高級泵驅動器A、拉線傳感器A和電磁閥A；所述第二浮力驅動單元包括：初級泵驅動器B、高級泵驅動器B、拉線傳感器B和電磁閥B；機翼單元包含均具有相同NACA翼型的機翼A和機翼B，所述機翼A包含前緣A、后緣A及驅動電機A，所述機翼B包含前緣B、后緣B及驅動電機B，所述垂直尾舵包括垂直尾舵轉動端面和垂直尾舵舵機。

3.根據權利要求1所述的一種大型重載水下滑翔機，其特征在于，所述控制單元包括：甲板軟件、主控制器、電子羅盤、慣導、電源管理模塊、艙內壓力傳感器、俯仰電機驅動器、無線模塊、衛星通訊模塊、高級泵驅動器A、初級泵驅動器A、高級泵驅動器A、初級泵驅動器A、高級泵驅動器B、初級泵驅動器B、高級泵驅動器B、初級泵驅動器B；導航定位單元包括：GPS定位、銥星通訊與定位、北斗通訊與定位。

4.一種大型重載水下滑翔機控制方法，基于權利要求1所述大型重載水下滑翔機，其特征在于，控制單元采用主控制器和副控制器并存的雙控制模式，慣導安裝在滑翔機整機的體心處，電子羅盤、慣導、艙內壓力傳感器、電源管理模塊的狀態信息由主控制器直接獲取，艙內壓力傳感器狀態輸出端與主控制器的中斷引腳連接，電源管理模塊、慣導、電子羅盤、高度計均通過A/D轉換模塊與主控制器I/O引腳連接，拉線傳感器A和拉線傳感器B的模擬量電壓輸入主控制器，主控制器通過CAN總線或者I2C總線對初級泵驅動器A、高級泵驅動器A、初級泵驅動器B、高級泵驅動器B、俯仰電機驅動器進行控制，電磁閥A和電磁閥B均通過光耦或者繼電器與主控制器連接，主控制器通過I/O引腳輸出PWM波對垂直尾舵舵機、機翼A舵機和機翼B舵機進行角度控制；航行數據存儲復現是通過串口與主控制器實現的，副控制器通過串口與主控制器數據交互；副控制器能夠對任務傳感器進行工作模式、工作狀態的控制，包括采樣頻率、啟動或停止、遲滯時間；任務傳感器的數據是經由副控制器存儲至SD卡中，主控制器和副控制器均能夠啟用應急拋載。

5.根據權利要求4所述的一種大型重載水下滑翔機控制方法，其特征在于，該大型重載水下滑翔機的控制方法包括兩種方式，具體如下：

(1)主從式遠程低延時控制；

由甲板軟件通過衛星通訊模塊與主控制器進行控制數據交互，之后由甲板軟件遠程對該大型重載水下滑翔機進行下潛、上浮、轉向的低延時控制，通過三軸的電子羅盤測量水下滑翔機的俯仰角度、偏航角度、滾轉角度，慣導測量所述水下滑翔機速度、線加速度、角速度和角加速度，并經過主控制器經由衛星通訊模塊回傳至甲板軟件；

(2)大型重載水下滑翔機自主航行控制；

俯視海平面，取海平面垂直向上的軸線為轉軸L，大型重載水下滑翔機艏部的實際航向θ需由目標航向θ₀繞轉軸L逆時針旋轉一個小于180°的角度即可到達時，定義θ>θ₀，大型重載水下滑翔機艏部的實際航向θ需由目標航向θ₀繞轉軸L順時針旋轉一個小于180°的角度即可到達時，定義θ<θ₀，垂直尾舵的旋轉軸線T與轉軸L平行方向一致，機翼A和機翼B的后緣A和后緣B均是向靠近水面方向旋轉為正，相對于目標航行大型重載水下滑翔機可以在不接受甲板軟件控制信號時，依靠預設的航行和姿態角度進行自主航行控制，包括航向控制策略和俯仰控制策略。

6.根據權利要求5所述的一種大型重載水下滑翔機控制方法，其特征在于，

航向控制策略具體如下：取角度定值ξ＞0，δ＞0，且δ＞ξ，實際航向角度θ與目標航行角度θ₀差值Δθ＝|θ-θ₀|，當Δθ≤ξ，航向通過垂直尾舵調節，機翼A和機翼B的后緣均保持在零位，垂直尾舵的調節量為α＝k(θ-θ₀)(k>0)；當ξ＜Δθ＜δ，并且θ>θ₀時，垂直尾舵的調節量為α＝kξ(k>0)，機翼A的后緣A保持在零位，機翼B的后緣B旋轉角度為β₁＝k₁(Δθ-ξ)(k₁>0)；當ξ＜Δθ≤δ，并且θ<θ₀時，垂直尾舵的調節量為α＝-kξ(k>0)，機翼B的后緣B保持在零位，機翼A的后緣A旋轉角度為β₁＝k₁(Δθ-ξ)(k₁>0)；當δ≤Δθ，并且θ<θ₀時，垂直尾舵的調節量為α＝-kξ(k>0)，機翼B的后緣B保持在零位，機翼A的后緣A旋轉角度為β₁＝k₁(δ-ξ)(k₁>0)；當ξ＜Δθ＜δ，并且θ>θ₀時，垂直尾舵的調節量為α＝kξ(k>0)，機翼A的后緣A保持在零位，機翼B的后緣B旋轉角度為β₁＝k₁(δ-ξ)(k₁>0)；

俯仰姿態控制策略具體如下：取當前重載水下滑翔機俯仰姿態角度為φ，當重載水下滑翔機的艏部高于艉部時，φ為正值，反之為負值，設定目標俯仰姿態角度為φ₀，俯仰姿態角度的實時測量值為φ₁；

當φ₀-φ≤-1時，首先姿態調節單元的移動重物向水下滑翔機艏部移動，當-1＜φ₀-φ₁＜0，移動重物停止移動，第一浮力驅動單元開始由外皮囊向油箱內回油ΔV,同時第二浮力驅動單元開始由油箱向外皮囊排油ΔV,不斷重復上述回排油過程，直至-0.1＜φ₀-φ₁＜0則第一浮力驅動單元和第二浮力驅動單元均停止回排油動作；

當-1≤φ₀-φ＜0時，首先姿態調節單元的移動重物停止移動，第一浮力驅動單元開始由外皮囊向油箱內回油ΔV,同時第二浮力驅動單元開始由油箱向外皮囊排油ΔV，不斷重復上述回排油過程，直至-0.1＜φ₀-φ₁＜0則第一浮力驅動單元和第二浮力驅動單元均停止回排油動作；

當φ₀-φ≥1時，首先姿態調節單元的移動重物向水下滑翔機艉部移動，當0＜φ₀-φ₁＜1，移動重物停止移動，第一浮力驅動單元開始由油箱向外皮囊排油ΔV,同時第二浮力驅動單元開始由外皮囊向油箱回油ΔV,不斷重復上述回排油過程，直至-0.1＜φ₀-φ₁＜0則第一浮力驅動單元和第二浮力驅動單元均停止回排油動作；

當0≤φ₀-φ＜1時，首先姿態調節單元的移動重物停止移動，第一浮力驅動單元開始由油箱向外皮囊排油ΔV，同時第二浮力驅動單元開始由外皮囊向油箱排油ΔV，不斷重復上述回排油過程，直至0＜φ₀-φ₁＜0.1，則第一浮力驅動單元和第二浮力驅動單元均停止回排油動作。