[发明专利]一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法

权利要求书

1.一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：建立关于深度的海水密度剖面模型并对其校正，输出不同深度下的海水密度ρ，通过高阶多项式的拟合得到不同深度下AUV耐压壳体的体积变化公式，输出不同深度下的航行器体积V₀，得到AUV不同纵倾角下的迎流面积S，确定AUV的流体阻力，规定流体阻力方向向上为正值；

步骤二：设置油泵的转速，控制AUV在不断下潜或上浮的过程中调整姿态由水平变为垂直，并由惯性导航系统反馈得到AUV的纵倾角值，记录AUV姿态由水平变为竖直状态的时间t；

步骤三：当AUV姿态调整为竖直后，通过惯性导航系统与深度计两种速度测量方式加权融合的方法计算出AUV近似匀速运动的速度v；

AUV近似匀速运动的速度v为：

v＝μv₁+(1-μ)v₂，0≤μ≤1

其中，v₁是通过对惯性导航系统中测得的加速度对时间进行积分，并把它变换到导航坐标系中得到的垂直方向速度，v₂是通过单位时间内的深度变化量与单位时间的比值计算得到的垂直方向速度，μ是两种计算垂直方向速度的分配比例；

步骤四：确定AUV安全姿态变化点位置，当运动到距离目标高度h处时，h＝vt，控制浮力调节机构进行姿态和浮力的调整，减小AUV的垂向运动速度并控制其姿态转为水平；

步骤五：到达姿态变化点的深度后，采用深度与速度的双闭环控制方法对AUV进行姿态调整和浮力调节，使姿态由竖直变位水平；

首先，利用AUV的当前深度H及目标深度H_d求得深度偏差e_H＝H-H_d，

然后，对深度偏差e_H进行处理，确定航行器的期望垂直速度v_d；

利用扩张状态观测器对垂直运动过程中的总扰动量进行估计，其公式为：

其中,z₁为AUV前一次控制中当前垂直速度的估计值，z₂为AUV前一次控制中当前垂直速度导数的估计值，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，为z₁、z₂、z₃的微分形式，v_a表示AUV当前的实际垂直速度，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率估计值，u₁表示AUV前一次控制过程中净浮力变化量，β₁、β₂、β₃为扩张状态观测器的估计性能参数，e、ξ、σ为fal非线性函数的设计参数；

对AUV垂直运动的速度偏差e_v＝v_a-v_d以及AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值进行PID控制，确定期望的AUV净浮力控制量，其公式为：

其中：F_净浮力为AUV的净浮力，e_v(k)为AUV的速度偏差量，K_P、K_I、K_D为PID控制参数，z₃为AUV垂直运动过程中受到的总扰动量的估计值，b表示AUV净浮力变化时对垂直速度的变化效率；

最后，通过AUV的流体阻力值和期望净浮力值计算出对应深度下所需的油囊体积V，从而实现对AUV的浮力调节；

步骤六：判断AUV姿态是否调整为水平，如果未调整为水平，返回步骤五；如调整为水平，停止艏、艉耐压油箱之间的油量交换,利用平衡关系式维持AUV为水平姿态的同时利用深度与速度的双闭环控制方法对AUV进行浮力调节；

平衡关系式为：

L₁*ΔV₁＝L₂*ΔV₂

其中：L₁为艏耐压油箱与AUV的重心的距离，L₂为艉耐压油箱与AUV的重心的距离，ΔV₁、ΔV₂分别为艏耐压油箱和艉耐压油箱的剩余油量体积；

步骤七：判断AUV姿态是否悬停到目标深度，如未到目标深度，返回步骤六；如达到，结束方法。