[发明专利]面向海洋观测作业的UUV航速双工控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种UUV航速控制装置及方法，具体地说是一种面向海洋观测作业的UUV航速双工控制装置及方法。

背景技术

无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicles，简称UUV)又称无人水下航行器或水下机器人是高新技术的集成体，其在复杂的海洋环境中自主完成预先规划的使命任务是极具挑战性的，而设计稳定、可靠的运动控制系统是其在尽可能满意的完成使命任务的同时确保自身安全的关键技术之一。在运动控制问题中，航速控制系统是实现其它运动控制的前提，一旦UUV达不到设计航速，其余运动控制将受限，甚至大大低于设计指标，从而使命任务失败。因此，急需一种能够在多工况下，使UUV均能稳定、安全作业的航速控制系统。

熊华胜等人于2005年发表“鲁棒H∞滤波器在AUV航向控制中的应用仿真”(机器人，Vol.27，No.6，P526-P530)。该文为保证航向控制满足设计要求，采用反馈式控制方式对航速进行实时精确控制。但是，在实际作业过程中，某些工况常常降低UUV的能量利用率，如在水域作业过程中速度测量传感器不可避免发生波动，此时利用实时精确的航速控制方法控制航速将产生倒车现象，下个控制节拍将继续对航速进行调整，如此错车必将增大单位千米的耗电量。

Hegrenaes等人于2008年发表“Model-Aided Inertial Navigation for Underwater Vehicles”(In Proceedings of the IEEE International Conterence on Robotics and Automation，Pasadena)。该文提出在UUV执行任务过程中采用速度开环的方式对推进器的转速进行控制，但是当UUV航速不高且海流不能忽略的情况下，开环航速控制很有可能达不到设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种当UUV任务要求及作业环境发生改变时，它能够迅捷的对UUV的航速进行切换控制，强化UUV自主控制的作用，在满足UUV航速控制的同时能提高航行安全性的面向海洋观测作业的UUV航速双工控制装置。本发明的目的还在于提供一种面向海洋观测作业的UUV航速双工控制方法

本发明的目的是这样实现的：

本发明的面向海洋观测作业的UUV航速双工控制装置包括任务控制模块1、量级航速控制通道2、精确航速控制通道3、运动控制模块4和感知模块5；任务控制模块1分别与量级航速控制通道2、精确航速控制通道3、运动控制模块4和感知模块5相互连接；量级航速控制通道2和精确航速控制通道3均与运动控制模块4连接。

量级航速控制通道2和精确航速控制通道3构成航速控制通道。

本发明的面向海洋观测作业的UUV航速双工控制方法为：

由任务控制模块1、量级航速控制通道2、精确航速控制通道3、运动控制模块4和感知模块5构成面向海洋观测作业的UUV航速双工控制装置；

所述的任务控制模块1对UUV的系统状态及作业环境进行监控并与运动控制模块4进行信息交互，实时接收运动控制模块4发送的状态、位姿信息及海流剖面信息，同时，结合UUV任务和海洋环境信息选择航速控制方式，通过量级航速控制通道2和精确航速控制通道3将控制指令发送至运动控制模块4；

所述的量级航速控制通道2为平均航速控制模块，控制周期T₁为10s；包含先前的航速-电压调试经验，利用任务控制模块1下达的航速指令与数字化控制量之间的非线性映射关系得到当前航速指令的数字化控制量；同时，根据控制周期T₁时间间隔内的平均航速，以及海流剖面仪测量得到的海流状态修正之前得到的数字化控制量，并发送到运动控制模块4；在控制周期T₁内，修正后的数字化控制量保持不变；

所述的精确航速控制通道3为实时航速控制模块，控制周期T₂为0.5s；对当前航速信息进行反馈，利用PID算法得到当前航速指令的数字化控制量，并发送到运动控制模块4，使UUV航速精确的反映当前指令航速；

所述的运动控制模块4接收量级航速控制通道2和精确航速控制通道3下传的数字化控制量，执行控制指令；同时，将指令执行情况反馈给任务控制模块1；

所述的感知模块5负责采集UUV的状态、位姿信息及海流剖面信息，为UUV自主切换航速控制方式及进行航速控制提供反馈信号。