[发明专利]一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法

说明书

本发明提供一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法，通过对AUV水平姿态变为竖直姿态的变化时间t的记录以及AUV竖直姿态下近似匀速运动速度的加权融合计算，对到达目标深度前由竖直姿态变为水平姿态的变化过程给出准确且充足的运动距离；在AUV竖直姿态变为水平姿态的下潜或上浮过程中以及AUV以水平姿态下潜或上浮过程中，采用深度与速度双闭环控制方法对浮力调节机构不断调节，并在此基础上利用非线性扩张状态观测器对下潜或上浮过程中受到的海洋环境干扰进行估计并补偿。本发明在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下更加准确地快速下潜或上浮到目标深度。

技术领域

本发明涉及一种不使用推进器和舵等动力推进装置的快速潜浮AUV的浮力精确控制方法，属于无动力航行技术领域。

背景技术

随着海洋开发进程的加快,无人无缆自主式水下机器人(Autonomous underwatervehicle,AUV)技术得到了长足发展，已经在海洋科学研究、海洋资源调查以及打捞救生等领域被广泛应用。对于长宽比大于2的AUV在执行深海考察作业任务时，其下潜或上浮基本依靠推进器和舵等装置，导致需要消耗非常大的能源，进而使其在预定深度执行任务的时间相对减少，导致所执行任务可能无法一次完成，从而需要对某一固定的海域进行多次下潜任务。如果AUV借助常规的浮力调节系统，采用无动力(不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置)方式下潜或上浮，虽然降低了大量能耗，但是其迎流面积很大，导致其下潜和上浮的速度很慢，造成工作时间的浪费。

申请号为201911152439.5的专利公开了一种新式浮力调节系统，使其在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下，通过改变油囊体积达到下潜或上浮的目的，同时通过改变下潜或上浮时的姿态以减小AUV下潜或上浮时的迎流面积，进而减小了垂向阻力，在所受浮力一定的情况下，可以在降低能耗的同时加快下潜或上浮的速度，最终实现延长AUV在水下工作时间的目的。但是该专利对没有给出AUV执行快速潜浮时所用的精确浮力控制方法，也没有对下潜或上浮过程中AUV竖直姿态变为水平姿态的位置给出更加准确地解释。因此本发明在专利号为201911152439.5公开的专利基础上，设计了一种在不使用主推进器、辅助推进器和舵等动力推进装置的条件下，快速到达目标深度的精确控制方法，该方法确保了AUV到达目标深度前能够完成竖直姿态到水平姿态的改变，同时设计了深度、速度的双闭环控制方法实现浮力的调节，并对运动过程中的系统扰动进行浮力补偿，增强了AUV的抗干扰能力和动态控制性能，使得无动力式AUV能够快速且准确的到达目标位置。

目前，在无动力的油囊式AUV浮力调节领域，主要涉及到的控制方式有：深度控制、液压泵控制等。例如在《基于浮力调节系统的AUV深度控制研究》一文中提到了将深度计作为测量深度的反馈元件，控制器根据输入信息与反馈信息不断调节浮力调节机构到达目标深度；在《浮力调节系统在作业型AUV上的应用研究》一文中提到了选用深度计作为反馈元件，通过微分计算载体的垂向速度，进而对AUV载体深度进行控制，这两篇文章中都是采用的深度反馈控制回路，但是这种方法针对AUV姿态变换时由于惯性大，反应迟缓而容易出现控制超调的问题；在申请号为201710667016.1的专利中提出了一种油囊式水下滑翔机的浮力精确控制方法，通过建立海洋密度模型，利用控制液压泵转数对油囊排水进行调节，控制AUV在任意深度下浮力与重力达到平衡，但这种方法会造成AUV在目标深度处频繁的调整。因此，本发明在建立了海水密度剖面模型、关于深度的AUV体积的模型以及AUV的湍流计算模型基础上，采用了深度、速度的双闭环控制方法，提前发挥浮力调节机构的作用，在解决调节过程中浮力调节延迟的同时，对运动过程中的系统扰动进行浮力补偿，提高了AUV下潜或上浮到目标深度的稳定性与准确性，避免了AUV的频繁调整。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种无动力式快速潜浮AUV的浮力控制方法，能够在不使用主推进器、辅助推进器等推进机构的条件下控制AUV无动力快速下潜或上浮到目标深度且实现姿态控制。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：