[发明专利]一种高速水下自主航行器及其专用控制方法

说明书

技术领域

本发明属于水下自主航行器制造、控制领域，具体涉及一种高速水下自主航行器及其在水下高速航行期间的纵向运动的稳定控制方法。

背景技术

AUV(autonomous underwater vehicle)，即水下自主航行器，已广泛应用于海底地形探测、海洋环境勘察及水下目标搜寻等环境恶劣的水下作业。一般情况下，AUV执行任务的范围取决于其内部电池的容量，若遇到较远路程且单程探测情况（如：水下物品搜寻等）则需要水面船只随行进行有缆探测或多次探测，这使得任务成本升高。若在AUV不使用内部电池的情况下，将其投放至需探测范围内、且能够返航的最远处，然后以正常方式执行任务并返航，可节省成本。

Savchenko在2001年发表的“Supercavitation-Problems and Perspectives”（CAV2001:lecture.003）一文中给出了水下航行体能够高速航行的气泡减阻方式和4种可控平衡状态，其模型的航速一般超过100m/s(约200节)，远超过现有的螺旋桨驱动的水下航行体（最高约60节），所以称其为高速水下航行体。Balint Vanek等人在“Longitudinal motion control of a high-speed supercavitation vehicle.”（Journal of Vibration and Control（2007:159-184）提出了按以上4种方式中的2种（航行体全部包裹在气泡中状态和航行体大部包裹在气泡中只有尾部探出气泡状态）的控制策略研究，但其使用传统的尾舵参与控制，在实际工程应用中尾舵的操作难度和对气泡的破坏都很大，很难实现。

因此本专利给出了一种高速AUV设计，提出利用可变角度推力装置进行分段控制的控制方法，可以有效克服可变角度推力装置的反应慢、误差大等缺点，将其用于高速航行的AUV的运动控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不消耗自身内部电池，且在短时间内高速航行的水下自主航行器，本发明的目的还在于提供一种令这种水下自主航行器在高速航行阶段保持稳定航行的专用控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

高速水下自主航行器包括高速水下自主航行器本体，圆形具有锋利边缘的气泡发生器位于水下自主航行器头部；压力平衡装置安装在水下自主航行器前部和中部按圆周布置，可喷出气体，平衡气泡内压力，促进气泡成形；压力传感器紧贴每个压力平衡装置进行安装；两个圆筒状可变角度推力装置对称安装在水下自主航行器尾部的壳体表面；6个圆筒状固定推力装置均匀的安装在水下自主航行器尾部壳体的圆周表面。

高速水下自主航行器的专用控制方法，由任务控制模块与传感器模块连接；任务控制模块与运动控制模块相互连接；高速控制机构与任务控制模块相连，包括如下步骤：

（1）在高速水下自主航行器发射前，通过传感器模块探测，将姿态信号发送给任务控制模块；

（2）当高速水下自主航行器俯仰角接近0°时，任务控制模块通过受力平衡计算，得出气泡发生器的初始角度，向运动控制模块发出信号；

（4）运动控制模块接收信号后，控制高速控制机构的气泡发生器偏转初始角度后点燃固定发动机；

（5）传感器模块探测壳体压力分布和高速水下自主航行器姿态，经卡尔曼滤波后送交任务控制模块：

1）当壳体压力分布不均时，任务控制模块向运动控制模块发出信号，使用PID控制器控制压力平衡系统给出补充气体，促使壳体外部压力尽快平衡，形成减阻气泡；

2）当高速水下自主航行器姿态不稳定，使用PID控制器调节气泡发生器角度，直至高速水下自主航行器姿态稳定。

（6）任务控制模块收到传感器模块发送的高速水下自主航行器姿态稳定信息后，计算需要的可变推力装置的偏转角度，向运动控制模块发出信号，控制高速控制机构的可变推力装置偏转角度，使用编码盘校准，启动可变推力装置，并根据传感器模块的信息，通过任务控制模块和运动控制模块调节控制高速控制机构的气泡发生器角度，直至传感器模块得到的壳体外部压力信号处于稳定状态，水下自主航行器姿态稳定为止，所有推进器同时停止工作，高速水下自主航行器恢复普通工作状态。

本发明的有益效果是：

在AUV需要进行长时间和远距离探测时，在初始阶段能在短时间内依靠外挂推力进行高速航行，缩小了无探测区域的航行时间，节约了AUV自身电池的消耗，增加了AUV探测的范围，提高了续航时间。

附图说明