基于自適應(yīng)算法的uuv水下回收控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)及控制方法。包括水面監(jiān)控計算機(jī)、使命管理計算機(jī)、動態(tài)控制計算機(jī)、視覺傳感器、短基線定位聲吶、姿態(tài)傳感器、多普勒測速儀、主推進(jìn)器和槽道輔助推進(jìn)器，水面監(jiān)控計算機(jī)、使命管理計算機(jī)及動態(tài)控制計算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，UUV自適應(yīng)回收控制系統(tǒng)嵌入在使命管理計算機(jī)中，視覺傳感器、短基線定位聲吶、姿態(tài)傳感器、多普勒測速儀通過串口通信將采集到的信息送入動態(tài)控制計算機(jī)，動態(tài)控制計算機(jī)通過電信號來控制主推進(jìn)器和槽道輔助推進(jìn)器。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)UUV安全、準(zhǔn)確地回收到水下工作站上的搭載平臺。
【專利說明】基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種UUV返回水下工作站的自主回收控制系統(tǒng)。本發(fā)明涉及的是一種UUV返回水下工作站的自主回收控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于任務(wù)需要及自帶能源的約束，UUV在水下工作的時間有限，必須對其進(jìn)行回收來補(bǔ)充能量、上傳數(shù)據(jù)、下載指令和維護(hù)保障。由于水下回收平臺活動范圍的隱蔽性及安全性需要，要求UUV的回收過程必須在不借助第三方輔助設(shè)備的條件下，實(shí)現(xiàn)UUV自主返回水下工作站上的搭載平臺。UUV水下自主回收不僅受時間和空間的約束很小，還可節(jié)省大量的輔助設(shè)備和人力，但是目前仍有許多急需解決的關(guān)鍵問題，例如回收過程中UUV的復(fù)雜受力、未知環(huán)境下的非線性運(yùn)動控制等。
[0003]考慮到回收坐落過程中，UUV受到的水動力特性發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致了 UUV數(shù)學(xué)模型的不確定性以及近壁面環(huán)境擾動的隨機(jī)性，故采用自適應(yīng)算法進(jìn)行控制，原因在于對于特性參數(shù)有較大范圍變化的系統(tǒng)，自適應(yīng)控制器仍能自動地保持在某種意義下的最優(yōu)運(yùn)動狀態(tài)。
[0004]哈爾濱工程大學(xué)侯恕萍在《機(jī)器人》(2005年第3期)發(fā)表的文章《水下機(jī)器人主動對接裝置的協(xié)調(diào)控制研究》在對接裙外側(cè)安裝有四只兩自由度對接機(jī)械手，用來實(shí)現(xiàn)在惡劣的海洋環(huán)境下水下機(jī)器人與失事潛器的準(zhǔn)確對接，并應(yīng)用離散事件系統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)四只機(jī)械手與水下機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，解決了系統(tǒng)的時間性問題，使之成為切實(shí)可行的控制方法。但應(yīng)用機(jī)械手臂的自主回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且容易產(chǎn)生更多的干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種可以使UUV安全、精確地實(shí)現(xiàn)回收坐落到搭載平臺的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)包括水面監(jiān)控計算機(jī)1、使命管理計算機(jī)2、動態(tài)控制計算機(jī)3、視覺傳感器5、短基線定位聲吶6、姿態(tài)傳感器7、多普勒測速儀8、主推進(jìn)器9和槽道輔助推進(jìn)器10，水面監(jiān)控計算機(jī)1、使命管理計算機(jī)2及動態(tài)控制計算機(jī)3之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，UUV自適應(yīng)回收控制系統(tǒng)4嵌入在使命管理計算機(jī)2中，視覺傳感器5、短基線定位聲吶6、姿態(tài)傳感器7、多普勒測速儀8通過串口通信將采集到的信息送入動態(tài)控制計算機(jī)3，動態(tài)控制計算機(jī)3通過電信號來控制主推進(jìn)器9和槽道輔助推進(jìn)器10。
[0008]本發(fā)明的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)還可以包括:
[0009]1、視覺傳感器5、短基線定位聲吶6安裝在UUV腹下。
[0010]2、態(tài)控制計算機(jī)3與使命管理計算機(jī)2之間的發(fā)送頻率為2Hz。[0011]本發(fā)明的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法為:
[0012]視覺傳感器5、短基線定位聲吶6、姿態(tài)傳感器7、多普勒測速儀8采集UUV回收過程中的位姿信息，通過串口進(jìn)行通信發(fā)送給動態(tài)控制計算機(jī)3，再通過網(wǎng)絡(luò)通信傳遞給使命管理計算機(jī)2 ；
[0013]使命管理計算機(jī)2利用實(shí)時位姿信息與水下工作站上的搭載平臺回收中心之間的偏差，運(yùn)用自適應(yīng)控制算法計算出控制UUV六自由度運(yùn)動的控制器輸出，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊傳遞給動態(tài)控制計算機(jī)3 ；
[0014]動態(tài)控制計算機(jī)3經(jīng)過推力分配及運(yùn)動控制解算，利用調(diào)節(jié)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電壓來調(diào)整主推進(jìn)器9和槽道輔助推進(jìn)器10的輸出力和力矩，進(jìn)而控制UUV在近壁面回收過程中的位置和姿態(tài)。
[0015]本發(fā)明的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法還可以包括:
[0016]1、所述UUV回收過程中的位姿信息包括UUV的速度，隨艇坐標(biāo)系下UUV中心距離回收平臺中心點(diǎn)的X、Y方向距離及Z方向高度，UUV深度、橫傾角度、縱傾角度及UUV艏向與回收平臺艏向間夾角。
[0017]2、所述水下工作站上的搭載平臺是在水下工作站脊背上設(shè)置的專門用于UUV回收的回收搭載平臺，回收搭載平臺上安裝有UUV鎖緊裝置，UUV首先從遠(yuǎn)處接近水下工作站，當(dāng)?shù)竭_(dá)回收搭載平臺上方一定高度處時與水下工作站保持相對靜止，即如果水下工作站處于運(yùn)動狀態(tài)，則UUV在各方向的運(yùn)動速度與水下工作站保持一致，回收控制器根據(jù)位姿信息，調(diào)整UUV位置和姿態(tài)，令UUV中心到達(dá)回收搭載平臺中心點(diǎn)正上方，且艏向與回收搭載平臺艏向一致，然后UUV開始緩慢下降，直至UUV坐落在回收平臺上，再利用鎖緊裝置將UUV固定在回收搭載平臺上，使UUV可以隨艇而動，即UUV回收過程結(jié)束。
[0018]3、所述令UUV中心到達(dá)回收搭載平臺中心點(diǎn)正上方的方法為UUV距離回收點(diǎn)高度大于2米時采用短基線定位聲吶聲學(xué)導(dǎo)引，小于等于2米時采用視覺傳感器視覺導(dǎo)引。
[0019]4、令UUV艏向與回收搭載平臺艏向一致是采用對線控位方法。
[0020]傳感器采集UUV回收過程中的位姿信息，通過串口通信發(fā)送給動態(tài)控制計算機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)通信傳遞給使命管理計算機(jī)；使命管理計算機(jī)中裝載有UUV自適應(yīng)回收控制程序，利用UUV的實(shí)時位姿狀態(tài)及其與回收目標(biāo)狀態(tài)之間的偏差，運(yùn)用自適應(yīng)控制算法，計算出未知的近壁面環(huán)境下控制UUV六自由度運(yùn)動所需的執(zhí)行機(jī)構(gòu)總輸出力和力矩，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊把這些指令傳遞給動態(tài)控制計算機(jī)；動態(tài)控制計算機(jī)根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，通過運(yùn)動控制解算及推力分配，并利用調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電壓來調(diào)整UUV回收過程的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)UUV安全、準(zhǔn)確地回收到水下工作站上的搭載平臺。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2為UUV回收過程示意圖
[0023]圖3為UUV回收過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖4 (a)-圖4 (b)為UUV聲吶、執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置圖，? 4(a)為UUV的側(cè)視圖，圖4 (b)為UUV的俯視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)地描述:
[0026]圖1說明本發(fā)明中各部分之間的關(guān)系，UUV回收自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，水面監(jiān)控計算機(jī)I和動態(tài)控制計算機(jī)3為PC機(jī)，使命管理計算機(jī)2為PC104總線計算機(jī)，它們中都嵌入軟件，通過局域網(wǎng)相互通信，用于UUV自適應(yīng)控制方法自主回收；其中UUV自適應(yīng)回收控制系統(tǒng)4嵌入在使命管理計算機(jī)2中；視覺傳感器5、短基線定位聲吶6、姿態(tài)傳感器7和多普勒測速儀8通過串口通信，將采集數(shù)據(jù)傳送給動態(tài)控制計算機(jī)；動態(tài)控制計算機(jī)3通過電信號來控制主推進(jìn)器9和槽道輔助推進(jìn)器10 ；
[0027]圖2為UUV回收過程的示意圖。當(dāng)UUV回收程序被特定指令或事件觸發(fā)后，UUV開始返航接近水下工作站的回收平臺，直至到達(dá)回收搭載平臺上方，并接近距離平臺上方2m高度處。UUV接近水下工作站的過程基本上可以分解為:根據(jù)聲吶設(shè)備計算出UUV艏向與水下工作站搭載平臺之間的夾角，調(diào)整艏向令其夾角為0，然后利用主推進(jìn)器駛向搭載平臺；駛向搭載平臺的過程中，如果UUV所處環(huán)境為理想靜水環(huán)境，則此過程可以理解為直航，但如果環(huán)境中有海流等外界干擾存在，則此過程中可能因?yàn)樾枰朔蓴_而使航線變長，甚至中途需要再次調(diào)整艏向，以免偏航，直至到達(dá)平臺上方2m高度處；
[0028]當(dāng)UUV到達(dá)水下工作站回收平臺上方2m高度處，并且連續(xù)一定拍數(shù)內(nèi)聲吶采集的UUV高度狀態(tài)仍維持在允許范圍內(nèi)，在UUV可以進(jìn)入回收過程的坐落階段，首先UUV需要將艏向調(diào)整為與搭載平臺正向相一致，這個過程需要利用UUV上的視覺傳感器和搭載平臺上的電光源進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)UUV艏向與搭載平臺正向在一小偏差內(nèi)，UUV需要保持與水下工作站的相對靜止，即UUV各方向的航行速度與水下工作站的速度基本上保持一致，從而使UUV中心與回收平臺中心保持在允許誤差范圍內(nèi)的相對靜止。當(dāng)聲吶連續(xù)采集一定拍數(shù)得到的UUV中心位置與搭載平臺中心位置間的偏差仍維持在某一定范圍內(nèi)后，UUV便利用輔助推進(jìn)器開始坐落。如果周圍環(huán)境為靜水，且水下工作站運(yùn)動規(guī)律變化不劇烈，則此過程UUV基本可以只通過垂直坐落完成；但如果環(huán)境中存在外界干擾，或在水下工作站運(yùn)動規(guī)律變化劇烈的情況下，UUV坐落的過程中可能仍需要幾次的調(diào)整艏向和與搭載平臺間的相對位置，以保證最終坐落位置的精確性。搭載平臺上安裝有UUV鎖緊裝置，當(dāng)UUV最終坐落到回收平臺上時，鎖緊裝置將UUV固定在回收平臺上，則UUV便能夠隨艇而動，且可以進(jìn)行充電或數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，完成整個回收過程。
[0029]根據(jù)圖3所示，UUV回收過程的自適應(yīng)控制系統(tǒng)包括以下幾個步驟:
[0030]( I )當(dāng)UUV完成預(yù)期任務(wù)后，使命管理計算機(jī)2下達(dá)回收指令，UUV開始進(jìn)入回收階段；
[0031]( II )視覺傳感器5、短基線定位聲吶6、姿態(tài)傳感器7和多普勒測速儀8采集UUV回收過程中的位置和姿態(tài)信息，并通過串口傳遞給動態(tài)控制計算機(jī)3，動態(tài)控制計算機(jī)對多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合，將融合后的UUV位姿信息通過網(wǎng)絡(luò)通信傳送給水面監(jiān)控計算機(jī)I進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和顯示；通過這些信息，可以實(shí)時知道UUV的縱向速度、UUV中心與搭載平臺中心間的位置和姿態(tài)偏差；
[0032](III )將經(jīng)過處理的UUV實(shí)時位姿信息與回收的期望位姿進(jìn)行比較，得到偏差值，應(yīng)用實(shí)時位姿和偏差值設(shè)計的自適應(yīng)估計機(jī)制為
[0033]a = -rYTs[0034]上式中:&—為UUV回收過程的各項(xiàng)未知的水動力系數(shù)的估計值的導(dǎo)數(shù)；
[0035]gamma——為設(shè)計的一個正定對稱陣；
[0036]Y——為各項(xiàng)水動力系數(shù)對應(yīng)的UUV系統(tǒng)狀態(tài)參量；
[0037]s——為UUV的實(shí)際速度誤差向量。
[0038]對未知的水動力項(xiàng)進(jìn)行在線估計，并將其估計值帶入自適應(yīng)控制規(guī)律，得到
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)，其特征是:包括水面監(jiān)控計算機(jī)(I)、使命管理計算機(jī)(2 )、動態(tài)控制計算機(jī)(3 )、視覺傳感器(5 )、短基線定位聲吶(6 )、姿態(tài)傳感器(7)和多普勒測速儀(8)，水面監(jiān)控計算機(jī)(I)、使命管理計算機(jī)(2)及動態(tài)控制計算機(jī)(3)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，UUV自適應(yīng)回收控制系統(tǒng)(4)嵌入在使命管理計算機(jī)(2)中，視覺傳感器(5)、短基線定位聲吶(6)、姿態(tài)傳感器(7)、多普勒測速儀(8)通過串口通信將采集到的信息送入動態(tài)控制計算機(jī)(3)，動態(tài)控制計算機(jī)(3)通過電信號來控制主推進(jìn)器(9)和槽道輔助推進(jìn)器(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)，其特征是:視覺傳感器(5)、短基線定位聲吶(6)安裝在UUV腹下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)，其特征是:態(tài)控制計算機(jī)(3)與使命管理計算機(jī)(2)之間的發(fā)送頻率為2Hz。
4.基于權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是: 視覺傳感器(5)、短基線定位聲吶(6)、姿態(tài)傳感器(7)、多普勒測速儀(8)采集UUV回收過程中的位姿信息，通過串口進(jìn)行通信發(fā)送給動態(tài)控制計算機(jī)(3)，再通過網(wǎng)絡(luò)通信傳遞給使命管理計算機(jī)(2); 使命管理計算機(jī)(2)利用實(shí)時位姿信息與水下工作站上的搭載平臺回收中心之間的偏差，運(yùn)用自適應(yīng)控制算法計算出控制UUV六自由度運(yùn)動的控制器輸出，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊傳遞給動態(tài)控制計算機(jī)(3)； 動態(tài)控制計算機(jī)(3)經(jīng)過推力分配及運(yùn)動控制解算，利用調(diào)節(jié)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電壓來調(diào)整主推進(jìn)器(9)和槽道輔助推進(jìn)器(10)的輸出力和力矩，進(jìn)而控制UUV在近壁面回收過程中的位置和姿態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:所述UUV回收過程中的位姿信息包括UUV的速度，隨艇坐標(biāo)系下UUV中心距離回收平臺中心點(diǎn)的X、Y方向距離及Z方向高度，UUV深度、橫傾角度、縱傾角度及UUV艏向與回收平臺艏向間夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:所述水下工作站上的搭載平臺是在水下工作站脊背上設(shè)置的專門用于UUV回收的回收搭載平臺，回收搭載平臺上安裝有UUV鎖緊裝置，UUV首先從遠(yuǎn)處接近水下工作站，當(dāng)?shù)竭_(dá)回收搭載平臺上方一定高度處時與水下工作站保持相對靜止，即如果水下工作站處于運(yùn)動狀態(tài)，則UUV在各方向的運(yùn)動速度與水下工作站保持一致，回收控制器根據(jù)位姿信息，調(diào)整UUV位置和姿態(tài)，令UUV中心到達(dá)回收搭載平臺中心點(diǎn)正上方，且艏向與回收搭載平臺艏向一致，然后UUV開始緩慢下降，直至UUV坐落在回收平臺上，再利用鎖緊裝置將UUV固定在回收搭載平臺上，使UUV可以隨艇而動，即UUV回收過程結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:所述令UUV中心到達(dá)回收搭載平臺中心點(diǎn)正上方的方法為UUV距離回收點(diǎn)高度大于2米時采用短基線定位聲吶聲學(xué)導(dǎo)引，小于等于2米時采用視覺傳感器視覺導(dǎo)引。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自適應(yīng)算法的UUV水下回收控制方法，其特征是:令UUV艏向與回收搭載平臺艏向一致是采用對線控位方法。
【文檔編號】G05B13/02GK103455037SQ201310433161
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】張偉, 徐達(dá), 嚴(yán)浙平, 邊信黔, 李本銀, 周佳加 申請人:哈爾濱工程大學(xué)