[发明专利]一种自稳系统及水下潜航器

说明书

技术领域

本发明涉及水下潜航器技术领域，尤其涉及一种自稳系统及水下潜航器。

背景技术

闭环控制系统(closed-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输入，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。

当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器(Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器)，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

现有的水下潜航器，在水下潜行时，由于各水域水流的复杂多变，其姿态无法保持稳定，影响其水下潜航任务的进行。此外，在水上控制端控制水下潜航器做出指定的移动后，水下潜航器会由于惯性作用而发生剧烈的振动，无法快速恢复稳态，影响潜航作业的效率。所述姿态是指控制水下潜航器的roll，pitch，yaw三个角度数值变量。其中，pitch为围绕X轴(水下潜航器宽度方向的轴线)旋转角，也叫做俯仰角，yaw是围绕Y轴(水下潜航器高度方向的轴线)旋转角，也叫偏航角，roll是围绕Z轴(水下潜航器长度方向的轴线)旋转角，也叫翻滚角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够控制水下潜航器保持姿态稳定的自稳系统。

本发明的另一目的在于提供一种水下潜航器，包括如上所述的自稳系统。

为达第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种自稳系统，包括：

姿态控制模块，用于检测计算水下潜航器的当前姿态的当前角度数据以及当前角速度数据，并根据控制信号控制水下潜航器进行姿态调整。

角度PID控制器，根据目标姿态的目标角度数据与当前角度数据的差值求解得到并输出对应的控制角速度数据；

角速度PID控制器，根据控制角速度数据与当前角速度数据的差值求解得到并输出对应的控制信号。

作为优选，还包括第一加法器，所述第一加法器用于接收控制端所发出的目标姿态的目标角度数据以及姿态控制模块所检测到的当前角度数据，将目标角度数据与当前角度数据求差得到角度数据差值，并将所述角度数据差值输出给角度PID控制器，所述角度PID控制器根据角度数据差值求解得到并输出对应的控制角速度数据。上述第一加法器的设置，结构简单，具体运行准确可靠。

作为优选，还包括第二加法器，所述第二加法器用于接收角度PID控制器所发出的控制角速度数据以及姿态控制模块所检测到的当前角速度数据，将控制角速度数据与当前角速度数据求差得到角速度数据差值，并将所述角速度数据差值输出给角速度PID控制器，所述角速度PID控制器根据角速度数据差值计算求解得到对应的控制信号。上述第二加法器的设置，结构简单，具体运行准确可靠。

作为优选，所述姿态控制模块通过对水下潜航器的驱动电机进行动力分配从而进行所述姿态调整。

作为优选，所述自稳系统用于控制水下潜航器保持一个静止姿态或者从一个静止姿态调整到另一个静止姿态。上述保持一个静止姿态时，使得水下潜航器更加适应于水下多变的环境，上述从一个静止姿态调整到另一个静止姿态使得水下潜航器的姿态切换更加稳定可靠。

作为优选，所述目标角度数据为水上控制端对水下潜航器所发出的控制指令。上述设置，使得操作人员对本发明自稳系统的控制更加简单方便，安全可靠。

为达另一目的，本发明提供了一种水下潜航器，包括如上所述的自稳系统。