[發(fā)明專利]一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法

有效

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• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113359785B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發(fā)明（設計）人: 蔡磊;李岳峻;陳振學;張盛平;徐濤
• 申請（專利權）人: 河南科技學院
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識產(chǎn)權代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

本發(fā)明提出了一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法，其步驟如下：優(yōu)化設計AUV的槳舵驅動系統(tǒng)和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)：通過槳舵驅動系統(tǒng)實現(xiàn)槳舵驅動控制，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)控制；通過浮力調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)控制保持浮力平衡，同時調(diào)整三方向舵控制AUV機體懸停的穩(wěn)定性；當AUV機體受海流影響偏離原懸停位置，通過水下運動控制回航到原懸停位置；水下長時作業(yè)期間，AUV進入低功耗的檢測狀態(tài)；當電量下降到一定程度時，AUV進行自主喚醒，上浮到海面進行回收。本發(fā)明實現(xiàn)了微小型AUV在水下空間不同深度下的高速運動和懸停控制，使AUV在低功耗、低成本的設計要求下具備水下空間0~500m深度下高速機動能力和長時懸停作業(yè)的穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明涉及水下機器人運動控制的技術領域，尤其涉及一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法。

背景技術

我國是海洋大國，對海洋資源的合理的開發(fā)利用、維護海洋權益對我國的經(jīng)濟發(fā)展和國防安全都有著重要的意義，自主水下航行器(AUV)作為重要的海洋裝備之一，具有自帶電源、活動范圍大、高機動性和高智能化的特點，是多個領域水下作業(yè)任務的重要裝備。在實際的水下探測中，時常有設備長時在多個不同的固定位置進行數(shù)據(jù)采集、水文監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)控等作業(yè)需求。現(xiàn)有水下AUV一般體積較大、水下作業(yè)受電源電量限制期限較短，且由于水下不定海流的影響、無法兼顧定點懸停與高速機動功能，制約了水下連續(xù)數(shù)據(jù)檢測的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有AUV體積大、作業(yè)時間段，無法兼顧定點懸停與高速機動功能的技術問題，本發(fā)明提出一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法，優(yōu)化設計了有控制器、槳舵驅動系統(tǒng)和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的AUV運動控制水下運動控制系統(tǒng)，使水下微小型AUV兼顧定點懸停與高速機動能力，實現(xiàn)微小型AUV在水下空間不同深度下的高速運動和懸停控制，且能夠在水下長時定點環(huán)境監(jiān)測，且功耗低、成本低。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法，其步驟如下：

步驟一：優(yōu)化設計AUV的槳舵驅動系統(tǒng)和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，槳舵驅動系統(tǒng)包括雙螺旋槳驅動器和三方向舵，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括浮力調(diào)節(jié)裝置；

步驟二：AUV水下作業(yè)控制：通過槳舵驅動系統(tǒng)實現(xiàn)槳舵驅動控制，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)不同深度下的水下運動控制；通過浮力調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)控制保持浮力平衡，同時調(diào)整三方向舵控制AUV機體懸停的穩(wěn)定性，實現(xiàn)定深懸停穩(wěn)定控制；當AUV機體受海流影響偏離原懸停位置，通過水下運動控制回航到原懸停位置；

步驟三：水下長時作業(yè)期間，AUV進入低功耗的檢測狀態(tài)；當電量下降到一定程度時，AUV進行自主喚醒，上浮到海面進行回收。

所述AUV的機體采用LY12硬質鋁合金制成，機體的表面進行金屬陽極氧化提高材料表面的硬度、耐腐蝕性；所述三方向舵固定在機體的尾部，且在AUV正前方視角下，分別安裝在機體的0°、90°和270°位置，三方向舵包括兩個水平方向舵和一個豎直方向舵；所述雙螺旋槳驅動器以等間距與水平舵平行放置于AUV的機體尾部的兩側；所述浮力調(diào)節(jié)裝置采用吸排水浮力調(diào)節(jié)方式，利用齒輪-滾珠絲杠傳動的活塞結構實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)控制，浮力調(diào)節(jié)裝置豎直放置在機體的浮心處。

所述AUV的機體內(nèi)設有高密度的能量電池，AUV的機體浮心正下方設有過濾海水入口。

所述水下運動控制包括上浮、下潛和高速機動過程的變深運動控制，定深懸停穩(wěn)定控制為水下固定深度作業(yè)的運動控制。

所述水下運動控制的方法為：

S1：對AUV水下運動控制進行數(shù)學建模，建立水下空間六自由度的運動學方程和動力學方程；