專利名稱：面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動uuv大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種UUV控制方法。具體地說是一種面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動UUV 大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法。
背景技術(shù)：
在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，精確的深度控制對于UUV海洋勘探以及海洋開發(fā)等任務(wù)有著至關(guān)重要的作用。由于UUV系統(tǒng)具有較大的慣性，超調(diào)量，尤其是深度控制的超調(diào)量，會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時(shí)間過長等問題。在某些特殊海況下，大范圍的變深運(yùn)動會導(dǎo)致過大的超調(diào)量，甚至?xí)?dǎo)致UUV系統(tǒng)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、觸底等危險(xiǎn)， 威脅到系統(tǒng)安全。而同時(shí)，小的縱傾角雖然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會導(dǎo)致下潛時(shí)間過長，浪費(fèi)系統(tǒng)能源，也不利于系統(tǒng)的機(jī)動。名稱為“一種采用矢量推進(jìn)器的無人潛水器定深航行控制方法”，專利申請?zhí)枮?200810064716. 2的中國專利文件中提到了將深度控制映射到縱傾控制的方法。其采用的映射方式為非線性分段函數(shù)，平滑性稍差。同時(shí)，其采用了矢量推進(jìn)器完成UUV深度控制。名稱為“一種大深度無人潛水器及其深度符合控制方法”，專利申請?zhí)枮?200810136825. 0的中國專利文件中提到了無人潛水器大深度控制方法，但其采用調(diào)節(jié)水艙與槽道槳等裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)η夫?qū)動UUV實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的大范圍變深時(shí)的大攻角潛浮控制的面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動UUV大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的1、運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)接收來自使命控制計(jì)算機(jī)的深度控制指令；
αχ2、將深度控制指令偏差作為非線性函數(shù)少=k\n-的輸入值χ，將深度控制
c-αχ
指令偏差χ轉(zhuǎn)換為縱傾控制指令y，進(jìn)而將深度控制指令偏差輸入到縱傾控制器中，通過控制水平舵舵角，作用到欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)；其中k，a, c分別為非線性函數(shù)的比例系數(shù)、縮放系數(shù)和平移系數(shù)；3、自適應(yīng)模塊結(jié)合海流觀測系統(tǒng)得到的海流信息和UUV系統(tǒng)的深度響應(yīng)情況調(diào)整非線性函數(shù)的k，a, c的值；4、OCTANS縱傾反饋通過OCTANS傳感器反饋UUV的姿態(tài)值，深度計(jì)深度反饋通過深度計(jì)反饋UUV的深度信息。本發(fā)明所涉及的一種面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動UUV大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法的工作原理在欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)接收到由水面監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送的深度控制指令后，將深度指令與深度計(jì)所反饋的深度信息作比較，將得到的偏差作為非線性函數(shù)指令轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸入，輸出為所需要的縱傾控制指令，將其與由OCTANS反饋的縱傾信息作比較，得到的偏差即為縱傾控制器的輸入，得到的輸出為UUV艉水平舵的舵角指令，最后系統(tǒng)通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器將舵角指令輸出到UUV的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即水平舵，完成UUV的深度控制。與此同時(shí)， 結(jié)合系統(tǒng)的響應(yīng)情況以及海流觀測數(shù)據(jù)，在線調(diào)整非線性函數(shù)的參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.采用了大攻角潛伏控制，實(shí)現(xiàn)了大變深運(yùn)動時(shí)的快速響應(yīng)，節(jié)約了系統(tǒng)能源。2.采用串級控制方法，并利用非線性函數(shù)進(jìn)行控制指令間的轉(zhuǎn)換。解決了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性與穩(wěn)定性間的矛盾。3.采用自適應(yīng)模塊，根據(jù)海洋環(huán)境信息與系統(tǒng)響應(yīng)情況實(shí)時(shí)的調(diào)整非線性函數(shù)參數(shù)，使UUV能夠更好的適應(yīng)不同海洋環(huán)境下控制系統(tǒng)的需求。


圖1本發(fā)明的控制方法示意圖；圖2欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)運(yùn)動控制流程圖；圖3本發(fā)明的控制方法的信號流圖；圖4非線性函數(shù)在線調(diào)整示意圖；圖5為非線性函數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖2，欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)的總體運(yùn)動控制流程包括1.水面監(jiān)控計(jì)算機(jī)現(xiàn)場初始化設(shè)置與使命規(guī)劃；2. UUV使命計(jì)算機(jī)對水面計(jì)算機(jī)規(guī)劃使命進(jìn)行解算。3. UUV運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)接收來自使命計(jì)算機(jī)的任務(wù)，主要指大范圍的變深運(yùn)動。4.運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制，主要包括4. 1利用欠驅(qū)動UUV串級控制方法，通過非線性函數(shù)將深度控制指令轉(zhuǎn)換為縱傾控制指令，并結(jié)合各傳感器數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令值。4. 2執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行控制指令，實(shí)現(xiàn)大攻角潛浮串級控制。4. 3根據(jù)UUV的下潛情況以及ADCP獲取的海流信息，自適應(yīng)的調(diào)整非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)的參數(shù)k，a, c,以使其更好的完成下潛任務(wù)，實(shí)現(xiàn)大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制。7.判斷任務(wù)是否完成。若完成，任務(wù)結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到3。
欠驅(qū)動UUV串級控制欠驅(qū)動UUV在缺少垂直面推進(jìn)裝置的條件下，采用串級控制方法將主回路深度控制通過非線性函數(shù)轉(zhuǎn)換為副回路縱傾控制，實(shí)現(xiàn)了快速性與穩(wěn)定性間的協(xié)調(diào)。通過以下步驟實(shí)現(xiàn)，將運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)得到的深度指令作為以下函數(shù)的輸入值，得到的輸出值即為副回路中的縱傾控制指令，然后將得到的指令進(jìn)行限值，如，y <40。^ = k\n-
c - αχUUV大攻角潛浮控制
4
大攻角潛伏控制，即在欠驅(qū)動UUV進(jìn)行大范圍變深運(yùn)動控制時(shí)，采用超常規(guī)的縱傾角(本例中為40° )，以獲得UUV大攻角。采用較大攻角可以節(jié)省系統(tǒng)能源，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，滿足UUV機(jī)動性的要求。例在不考慮縱傾變化情況下，500米大攻角)下潛，6節(jié)航速下實(shí)際航行時(shí)間為:500+ (sin(40)*3) = 259 秒；航行距離為:500+ (sin (40)) = 777 米。當(dāng)采用20°攻角下潛時(shí)航行時(shí)間為487秒；航行距離為1461米。復(fù)雜海況下結(jié)合海流信息的自適應(yīng)方法在復(fù)雜海況下，通過ADCP所采集的數(shù)據(jù)(海流大小、方向)與系統(tǒng)響應(yīng)情況自適應(yīng)的調(diào)整非線性函數(shù)的系數(shù)k，a, c，其中，比例系數(shù)k根據(jù)快速性要求調(diào)整，縮放系數(shù)a根據(jù)穩(wěn)定性要求調(diào)整，平移系數(shù)c根據(jù)指令范圍變換調(diào)整。這樣有利于系統(tǒng)對快速性和穩(wěn)定性要求，并可以更好的保證系統(tǒng)安全。結(jié)合圖1，本發(fā)明一種面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動UUV大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法主要包括如下幾個(gè)部分非線性函數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、縱傾控制器、欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)、OCTANS縱傾反饋環(huán)節(jié)、深度計(jì)深度反饋環(huán)節(jié)、海流觀測系統(tǒng)、自適應(yīng)模塊等。非線性函數(shù)將深度偏差轉(zhuǎn)換為縱傾指令，縱傾偏差作為縱傾控制器的輸入量最后輸出水平舵舵角實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動UUV 的縱傾以及深度變化。同時(shí)結(jié)合偏差變換情況以及海流觀測數(shù)據(jù)在線調(diào)整非線性函數(shù)參數(shù)，使系統(tǒng)在復(fù)雜海況下取得好的控制效果。具體步驟包括1.運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)接收來自使命控制計(jì)算機(jī)的深度控制指令。
αχ2.將深度控制指令偏差作為非線性函數(shù)少=k\n-的輸入值X，而k，a, c分
c-αχ
別為非線性函數(shù)的比例系數(shù)、縮放系數(shù)和平移系數(shù)。這樣，根據(jù)該函數(shù)即可將深度控制指令偏差χ轉(zhuǎn)換為縱傾控制指令y，進(jìn)而將其偏差輸入到縱傾控制器中，通過控制水平舵舵角， 作用到欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)。3.自適應(yīng)模塊結(jié)合海流觀測系統(tǒng)得到的海流信息和UUV系統(tǒng)的深度響應(yīng)情況調(diào)整非線性函數(shù)的k，a, c的值。4. OCTANS縱傾反饋通過OCTANS傳感器反饋UUV的姿態(tài)值，深度計(jì)深度反饋通過深度計(jì)反饋UUV的深度信息。結(jié)合圖4，非線性函數(shù)在線調(diào)整過程主要包括1.海流觀測系統(tǒng)ADCP實(shí)時(shí)的反饋海流大小與方向信息。2.自適應(yīng)模塊結(jié)合海流大小與方向信息，系統(tǒng)的深度控制指令和深度控制指令偏差，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)非線性函數(shù)的k，a，c，進(jìn)而影響到深度控制指令偏差到縱傾控制指令間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)控制效果的改善。結(jié)合附圖3對本發(fā)明所涉及控制系統(tǒng)的信號流程做更詳細(xì)的描述水面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、使命計(jì)算機(jī)和運(yùn)動控制機(jī)組成無線、有線局域網(wǎng)絡(luò)。水面監(jiān)控機(jī)發(fā)送深度控制使命到使命計(jì)算機(jī)，使命機(jī)進(jìn)行解算后發(fā)送到運(yùn)動計(jì)算機(jī)，運(yùn)動機(jī)最終得到深度控制指令。同時(shí)，運(yùn)動計(jì)算機(jī)向水面監(jiān)控機(jī)反饋UUV位姿信息、深度信息以及速度信息等。運(yùn)動控制機(jī)主要由數(shù)據(jù)采集線程和控制解算線程來完成控制過程。數(shù)據(jù)采集線程分別采集來自0CTANS、深度計(jì)、ADCP以及經(jīng)過濾波的A/D采樣板的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到控制解算線程作為反饋量?？刂平馑憔€程根據(jù)深度指令與實(shí)際深度，縱傾指令與實(shí)際縱傾解算出所需要的水平舵舵角，最后經(jīng)由D/A采樣輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 如圖5所示為本發(fā)明所涉及的非線性曲線示意圖，可見該曲線在誤差逐漸減少的過程中，其曲線變化更為平穩(wěn)。在實(shí)際的過程中，縱傾指令隨著深度增加而減少，最后減少為0，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的下潛過程。
權(quán)利要求
1. 一種面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動UUV大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法，其特征是(1)、運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)接收來自使命控制計(jì)算機(jī)的深度控制指令；αχ(2)、將深度控制指令偏差作為非線性函數(shù)少=k\n-的輸入值χ，將深度控制指c-αχ令偏差χ轉(zhuǎn)換為縱傾控制指令y，進(jìn)而將深度控制指令偏差輸入到縱傾控制器中，通過控制水平舵舵角，作用到欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)；其中k，a，c分別為非線性函數(shù)的比例系數(shù)、縮放系數(shù)和平移系數(shù)；(3)、自適應(yīng)模塊結(jié)合海流觀測系統(tǒng)得到的海流信息和UUV系統(tǒng)的深度響應(yīng)情況調(diào)整非線性函數(shù)的k，a, c的值；(4)、OCTANS縱傾反饋通過OCTANS傳感器反饋UUV的姿態(tài)值，深度計(jì)深度反饋通過深度計(jì)反饋UUV的深度信息。 全文摘要
本發(fā)明提供的是一種面向復(fù)雜海況的欠驅(qū)動UUV大攻角潛浮自適應(yīng)串級控制方法。運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)接收來自使命控制計(jì)算機(jī)的深度控制指令；將深度控制指令偏差作為非線性函數(shù)的輸入值，將深度控制指令偏差轉(zhuǎn)換為縱傾控制指令輸入到縱傾控制器中，通過控制水平舵舵角，作用到欠驅(qū)動UUV系統(tǒng)；自適應(yīng)模塊結(jié)合海流觀測系統(tǒng)得到的海流信息和UUV系統(tǒng)的深度響應(yīng)情況調(diào)整非線性函數(shù)；OCTANS縱傾反饋通過OCTANS傳感器反饋UUV的姿態(tài)值，深度計(jì)深度反饋通過深度計(jì)反饋UUV的深度信息。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了大變深運(yùn)動時(shí)的快速響應(yīng)；解決了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性與穩(wěn)定性間的矛盾；使UUV能夠更好的適應(yīng)不同海洋環(huán)境下控制系統(tǒng)的需求。
文檔編號G05D1/04GK102346485SQ201110196749
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者嚴(yán)浙平, 吳迪, 周佳加, 徐健, 郝麗超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)