[發明專利]多舵面水下拖曳式航行器的平行潛浮與相對潛浮一體化深度控制系統及方法

有效

• 申請號: 202110681633.3
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113479304B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 向先波;劉傳;楊少龍;黃金;向鞏
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52;B63G8/14;B63G8/24;G05D1/06
• 代理公司: 廣州中堅知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 44515
• 代理人: 金茜

1.一種多舵面水下拖曳式航行器的平行潛浮與相對潛浮一體化深度控制方法，其特征在于：

所述多舵面水下拖曳式航行器的一體化深度控制方法由潛浮模式切換方法和自適應深度反演控制算法組成；

所述一體化深度控制方法包括：

所述潛浮模式切換方法根據航行任務需求選擇平行潛浮或相對潛浮兩種模式，并根據所選模式確定期望縱傾角的計算方法；

所述自適應深度反演控制算法通過調整多舵面水下拖曳式航行器的艏、艉多水平舵的舵角，同時跟蹤期望縱傾和期望深度；

所述自適應深度反演控制算法基于模型設計，多舵面水下拖曳航行器的深度通道模型可以描述為式(1)，縱傾通道模型可以描述為式(2)：

其中，z為航行器深度，θ為航行器縱傾角，α_Hb和α_Hs分別為艏水平舵的舵角和艉水平舵的舵角，b_zb、b_zs、b_θb和b_θs是由拖曳航行器自身屬性以及運動狀態決定的舵角控制系數，為變量；f_z和f_θ是由拖曳航行器自身屬性以及運動狀態決定的變量，根據實時狀態計算；

基于所確定的期望縱傾角，結合任務設定的期望深度，基于多舵面水下拖曳式航行器模型，通過帶入自適應深度反演控制算法，對水下航行器艏、艉多水平舵進行實時控制，進而實現水下航行器在不同潛浮模式下的一體化深度控制；所述自適應深度反演控制算法如下：

定義狀態變量x₁＝z，x₃＝θ，狀態方程表示為：

其中，u＝[α_Hb α_Hs]，d_z和d_θ分別為兩個通道的復合干擾，復合干擾是將系統未建模項、時變參數和外界干擾集總考慮；

設計出的自適應反演控制器為：

其中，深度誤差e_z1＝x₁-x_1d，縱傾誤差e_θ1＝x₃-x_3d，虛擬控制量c_z1，c_z2，c_θ1，c_θ2，γ_z和γ_θ分別為控制參數；和分別為自適應參數，在線估計并補償復合干擾；

聯立式(4)和(5)即可求出艏、艉水平舵的控制舵角u＝[α_Hb α_Hs]。

2.如權利要求1所述的一種多舵面水下拖曳式航行器的平行潛浮與相對潛浮一體化深度控制方法，其特征在于：

當選擇平行潛浮模式時，所述多舵面水下拖曳式航行器的期望縱傾角設置為0度，即θ_d＝0，通過自適應深度反演控制算法同時調整艏、艉多水平舵，使航行器縱傾角保持為0，同時利用艏、艉多水平舵為航行器跟蹤期望深度提供升力。

3.如權利要求2所述的一種多舵面水下拖曳式航行器的平行潛浮與相對潛浮一體化深度控制方法，其特征在于：

當選擇相對潛浮模式時，期望縱傾角通過視線角制導LOS構建，即θ_d＝θ_LOS+α，其中，e_z1為深度誤差，為制導參數，α為航行器垂直面的沖角；自適應深度反演控制算法同時調整艏、艉多水平舵，調整多舵面水下拖曳式航行器的俯仰姿態跟蹤期望縱傾角θ_d，進而通過航行器本體為航行器跟蹤期望深度提供升力，實現較高的機動性潛浮運動。

4.如權利要求3所述的一種多舵面水下拖曳式航行器的平行潛浮與相對潛浮一體化深度控制方法，其特征在于：

所述一體化深度控制方法通過不同期望縱傾角的計算方法，實現平行潛浮和相對潛浮的模式切換，然后使用同一個自適應深度反演深度控制算法實現期望縱傾和期望深度的同時跟蹤控制。

5.一種多舵面水下拖曳式航行器的平行潛浮與相對潛浮一體化深度控制系統，其特征在于，具體包含處理器及控制程序模塊；所述處理器用于調用所述控制程序模塊，以對艏、艉多水平舵進行控制；所述控制程序模塊在被所述處理器調用時執行如權利要求1、2、3任一項所述的方法。