[发明专利]一种自主水下航行器四通道耦合控制方法

说明书

本发明提出一种自主水下航行器四通道耦合控制方法，首先分别获取姿态传感器和深度传感器数据，将各数据进行滤波处理；然后分别进行纵平面控制计算、水平面控制计算和横滚控制计算；之后进行舵角分配计算，将控制力矩分配到四个舵面上，得到操舵角度；然后获取速度传感器信息，进行滤波之后进行速度控制计算，得到控制转速指令；最后将舵角和转速指令发送到执行机构执行。本发明通过控制算法，使单桨加十字舵型AUV通过周期性控制舵角和转速，实现了AUV稳定航行，而且本发明中采用的舵角分配算法考虑到了AUV横滚带来的影响，对任意横滚角下的AUV都适用，特别是当AUV横滚角非零时，比传统的静态舵分配方法具有更好的控制效果。

技术领域

本发明涉及一种自主水下航行器控制方法，特别是对于螺旋桨推进加十字舵面布局的回转体自主水下航行器控制方法，属于水下航行器控制领域。

背景技术

用于海洋探测与海底观测的无人潜水器(Unmanned Underwater Vehicle，简称UUV)可分为遥控水下航行器(Remote Operated Vehicle，简称ROV)和自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)两种。与ROV相比，AUV作为一种水下自主运载工具，依靠自身所携带的能源航行，可完成水下测量、物品投送等任务，在军事海洋侦察、海洋环境监测、油田勘测等领域有着重要的作用。AUV具有活动范围与深度大、无脐带限制、可进入复杂结构体中、无需复杂水面支持系统、占用甲板小、运行维修费用低等优点。

目前，回转体AUV舵面多采用十字形布局或者X型布局，与十字形布局不同的是X型布局需要把转矩分配到旋转了45°之后的四个舵面。但是无论是哪一种舵面布局，都存在AUV纵剖面与大地坐标系垂直面不总是重合的问题，因此固定的转矩和舵角分配方法会造成一定的误差和机动性损失，尤其带来转弯时的深度波动。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种采用十字舵面布局，同时对于任意横滚角下都适用的AUV四通道耦合控制方法。通过该控制方法计算相应执行机构指令，控制AUV稳定航行和有效作业。AUV控制方法主要包括：AUV纵平面运动控制算法、AUV水平面运动控制算法、AUV横滚控制算法、AUV舵角分配算法、AUV速度控制算法。

本发明的技术方案为：

所述一种自主水下航行器四通道耦合控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：分别计算纵平面控制力矩、水平面控制力矩和横滚控制力矩：

AUV纵平面运动控制采用AUV深度控制，根据AUV每个控制周期测量的深度、俯仰角和俯仰角速度，按照以下公式进行混合计算得到纵平面控制力矩：

其中depth、depth_ref和depth_err分别为深度、参考深度和深度误差；θ和ω_z分别为俯仰角和俯仰角速度；α_f为AUV自由角；k_pd、k_id、k_pθ和k_dθ分别为深度比例系数、深度积分系数、俯仰角比例系数和俯仰角微分系数；L_e为纵平面控制力矩；

AUV水平面运动控制采用AUV航向角控制，根据AUV每个周期测量的航向角和航向角速度，按照以下公式经过混合计算得出水平面控制力矩：

其中ψ、ψ_ref和ψ_err分别为航向角、参考航向角和航向角误差；ω_y为航向角速度；k_pψ和k_dψ分别为航向角比例系数和航向角微分系数；L_r为水平面控制力矩；