[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

本發明公開了一種具有艏艉水平舵的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。本發明針對水下拖曳式航行器在執行不同任務或處于同一任務不同階段時，存在深度機動性高的相對潛浮和縱傾穩定的平行潛浮兩種不同潛浮航行模式需求，設計了平行潛浮與相對潛浮可切換的一體化深度控制方法。在該一體化控制方法下，針對不同潛浮模式設計不同的期望縱傾角，并針對不同的任務需求切換平行潛浮或相對潛浮下的期望縱傾角。基于任務預設深度和期望縱傾角，設計了不依賴精確模型和控制參數自適應的水下拖曳式航行器深度反演控制器，通過同時控制艏、艉多水平舵，以實現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。

技術領域

本發明屬于自動控制領域，更具體地，涉及一種針對同時具有艏艉水平舵的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。

背景技術

自海洋進入立體化觀測一來，水下拖曳式航行器被廣泛用于海洋數據觀測中。該種水下探測方式較AUV水下探測方式系統組成更簡單，數據實時性更強且成本更低。拖曳航行器在搭載溫鹽深儀(CTD)進行數據采集時，在深度面只需進行波浪式運動，對姿態無特殊要求，但對拖曳航行器的深度機動性要求較高。拖曳航行器在搭載高精度海洋磁力計對海底進行石油勘探、管道巡檢和考古等任務時，不僅要求進行定高運動，還要求縱傾和橫搖處于穩定狀態，此時航行器要求在變深的同時還維持縱傾的穩定。因此，拖曳航行器在深度面運動時存在相對潛浮和平行潛浮兩種不同的變深運動需求。

發明內容

為解決上述問題，本發明設計了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，可根據航行任務的需求或同一任務不同航行階段的需求進行潛浮模式選擇和切換，進而實現拖曳航行器不同模式的變深運動。

為實現上述目的，本發明提供了以下技術方案：

多舵面水下拖曳航行器平行潛浮與相對潛浮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兩部分組成。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；基于期望縱傾角和任務預定深度，設計自適應深度反演控制算法實時計算艏、艉多水平舵的舵角，同時跟蹤期望縱傾和期望深度。

當拖曳航行器在變深的同時，要求縱傾角穩定，潛浮模式設置為平行潛浮，那么期望縱傾角設置為0度，即θ_d＝0。

當拖曳航行器在變深時，對縱傾角無要求，潛浮模式設置為相對潛浮，期望縱傾角按照一定的制導算法得出。在本發明中，使用視線角制導算法(LOS)構建。計算公式為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。

潛浮模式的選擇需適應航行任務的需求或同一任務不同航行階段的需求，潛浮模式的切換僅需調整期望縱傾角的計算方法，無需更改后續的自適應深度反演控制算法。

自適應深度反演控制算法基于模型設計，拖曳航行器的深度通道模型可以描述為式(6)，縱傾通道模型可以描述為式(7)

定義狀態變量x₁＝z，x₃＝θ，狀態方程(6)和(7)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。復合干擾的思想是將系統未建模項，時變參數和外界干擾等集總考慮。

設計出的自適應反演控制律為：