[发明专利]一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法

说明书

本发明涉及一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，由执行机构与传感装置、垂直面控制器和姿态优化器组成。执行机构与传感装置由布置在潜航器艏部和艉部的若干浮力调节装置及艏艉舵组成。垂直面控制器通过串级控制操纵各艏艉舵实现俯仰角、深/高度控制。姿态优化器由零舵角控制器、零攻角控制器和浮力调节指令分配器组成，零攻角控制器和零舵角控制器分别以攻角值和舵角加权值为输入计算艏艉浮力调节装置的质量之和、质量之差，浮力调节指令分配器以最小化质量变化量为目标，计算控制器输出的质量之和、质量之差到各浮力调节质量的最优分配。本发明基于浮力调节装置及优化控制算法实现潜航器零攻角、零舵角航行，降低航行阻力、增加航程。

技术领域

本发明涉及水下机器人控制领域，尤其涉及一种面向长航程潜航器的控制方法，具体的说是一种潜航器航行姿态优化控制方法。

背景技术

近年来，世界各国对海洋资源的勘探和开发利用越来越重视，且逐渐向深远海发展。潜航器作为探索海洋的重要工具和载体，也向长航程、大深度发展，潜航器的节能减阻技术是增加航程的重要手段，其中潜航器稳态航行时的姿态对阻力影响较大，特别是稳态时攻角和舵角的存在会导致能耗增加、航程缩短。当潜航器在不同深度、不同海域航行时，海洋环境差异大，自身浮力发生变化，潜航器需要一定的攻角和舵角平衡浮力变化引起的外力和外力矩变化。综上，优化潜航器姿态，减小潜航器稳态航行时的攻角和舵角是减小能耗提高航程的关键技术之一，目前长航程潜航器都配有浮力调节装置，并通过检测海水密度、估计浮力等方法调整浮力调节装置，对潜航器参数、装置控制和传感器精度要求较高，适应性不足，也不能实现最优的姿态调节，因此基于浮力调节装置的航行姿态优化控制算法方面尚有不足。

发明内容

针对上述长航程潜航器对节能减阻方面的需求以及目前基于浮力调节装置的航行姿态优化控制算法方面尚有不足问题，本发明提出了一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，实现潜航器稳态航行时零攻角、零舵角控制。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，包括以下步骤：

通过垂直面控制器操纵潜航器各艏艉舵，实现潜航器垂直面的运动控制；

通过姿态优化器控制潜航器攻角和舵角，调整浮力调节装置艏部和艉部的质量分布，实现潜航器的姿态控制。

所述姿态优化器包括零舵角控制器、零攻角控制器和浮力调节指令分配器；

所述零攻角控制器输入为设定的攻角指令及传感器检测的当前攻角值，采用增量式PID算法计算达到攻角指令所需的艏浮力调节装置与艉浮力调节装置的质量之和指令；

所述零舵角控制器输入为设定的舵角加权和指令及由传感器检测的各个舵角值的加权和，采用增量式PID算法计算达到舵角加权和指令为零所需的艏浮力调节装置与艉浮力调节装置的质量之差指令；

所述浮力调节指令分配器以最小化调节量为目标、以零攻角控制器和零舵角控制器分别输出的浮力调节质量之和指令、质量之差指令为约束条件，采用最优化方法实现零攻角控制器和零舵角控制器输出的综合浮力调节指令到各个浮力调节装置指令的分配。

所述浮力调节指令分配器输入为零攻角控制器、零舵角控制器分别输出的浮力调节质量之和指令浮力调节质量之差指令输出为N个艏浮力调节装置的质量指令M个艏浮力调节装置的质量指令输入到输出的处理过程转化为有约束二次规划求解问题，待求解的变量为各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置的质量指令，目标函数为各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置的质量变化量平方和最小，约束条件为各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置质量指令之和等于输入的质量之和指令、各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置质量指令之差等于输入的质量之差指令。

所述浮力调节指令分配器执行以下步骤：

待求解变量：

目标函数：

约束条件：