[发明专利]一种水下无人机自平衡控制方法及系统

权利要求书

1.一种水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：在水下无人机上设置至少一个可正反转螺旋桨推进器；

步骤b：将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；

步骤c：根据每个运动自由度设计一个对应的子PID控制器；

步骤d：通过推力分配矩阵计算至少一个可正反转螺旋桨推进器分别需要的推力。

2.根据权利要求1所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤a中，设置6个可正反转螺旋桨推进器，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力。

3.根据权利要求2所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。

4.根据权利要求3所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID。

5.根据权利要求4所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。

6.根据权利要求4或5所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述步骤d还包括：建立整体PID控制系统，提供PID控制器调用逻辑，具体为：所述定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID默认共同启动和工作，通过运行状态中的子PID控制器反馈输出的合力始终要与操控终端指令要求的力合并，成为最终的水下无人机刚体运动所需合力。

7.根据权利要求4或5所述的水下无人机自平衡控制方法，其特征在于，所述步骤d还包括：对每个推力做饱和限制，不能超过极限。

8.一种水下无人机自平衡控制系统，其特征在于，包括：可正反转螺旋桨推进器、运动自由度控制模块、子PID控制器和推力分配矩阵计算模块，所述可正反转螺旋桨推进器用于提供推力，驱动水下无人机；所述运动自由度控制模块用于将水下无人机所受的作用力通过运动自由度控制模型转化为至少一个运动自由度上的合力，其中，运动自由度对应的是可测量的运动控制量参数；所述子PID控制器与每个运动自由度相对应；所述推力分配矩阵计算模块用于计算可正反转螺旋桨推进器需要的推力。

9.根据权利要求8所述的水下无人机自平衡控制系统，其特征在于，所述可正反转螺旋桨推进器为6个，4个可正反转螺旋桨推进器提供完全垂直于本体平面的垂直推力，2个可正反转螺旋桨推进器提供完全平行于本体平面的水平推力；所述运动自由度控制模块将6个推进器的推力转化为5个运动自由度上的合力，5个运动自由度对应的是可以测量的5个运动控制量参数，所述运动控制量参数包括升沉－深度、纵倾－纵倾角度、横摇－横摇角度、平移－水平位移和转艏－航向角度。

10.根据权利要求9所述的水下无人机自平衡控制系统，其特征在于，还包括：推力饱和限制模块，用于对每个推力做饱和限制，不能超过极限；所述子PID控制器包括：定位PID、定深PID、定向PID、横摇稳定PID和纵倾稳定PID，子PID控制器采用增量式PID或结合积分分离的普通PID，即当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，减少较大的静差带来过大的反馈控制；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高控制精度。