无人艇滚转-航向协调增稳控制系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种无人艇滚转‑航向协调增稳控制系统，包括推进部、推进控制部、尾舵部、尾舵控制部和协调控制部，推进部包括左变距螺旋桨、左驱动机构、右变距螺旋桨和右驱动机构，左变距螺旋桨和右变距螺旋桨旋转方向相反，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；推进控制部包括滚转角速度陀螺、滚转角速度指令器和滚转角速度控制器，用于滚转增稳；尾舵部包括左舵、左舵机、右舵和右舵机，左舵和右舵同步偏转，产生偏航力矩；尾舵控制部包括偏航角速度陀螺、偏航角速度指令器、偏航角速度控制器，用于偏航增稳；协调控制部用于滚转‑偏航协调控制。以双变距螺旋桨和双舵面协调控制作为无人艇的减摇增稳方式，能够改善滚转‑偏航操纵品质。

Roll-course coordinated stabilization control system for UAV

【技术实现步骤摘要】
无人艇滚转-航向协调增稳控制系统
本技术涉及一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统，主要应用在无人艇控制
，能够改善无人艇的操纵品质。
技术介绍
作为一种无人海上运载平台，高速无人艇可在海洋中承担高航速、长航时、低成本、大范围、免维护的科学考察和军事任务。因此高速无人艇在军事和民用领域具有极其广泛的应用前景，如生物研究、水文观测、海图绘制、环境监测、通讯中继、资源勘探、领海巡逻、走私缉毒、潜艇跟踪、情报搜集和对舰攻击等任务。为了减小高速无人艇的阻力，通常其艇身为细长体形。因此高速无人艇转动惯量小，横向稳定性差。不仅容易出现摇摆现象，影响平台稳定；而且容易在急弯和强风条件下发生侧翻，造成严重事故。为改善高速无人艇的操纵品质，通常采用的减摇增稳措施包括：双体船、舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱和舵减摇等。双体船能够增强船舶的稳定性，但会显著增加无人艇的宽度，不利于母舰搭载；舭龙骨是广泛应用的简单被动减摇装置，不能提供主动减摇措施，而且会增加航行阻力；减摇鳍是一种主动减摇装置，需要在艇身外侧安装减摇鳍及其舵机，增加了制造成本和系统复杂度；减摇水舱通过在船身内部安装水舱实现减摇，但占地大、功耗高，现在已较少使用；舵减摇通过尾舵偏转产生附加的滚转力矩，因此在工作过程中会引入不必要的偏航力矩。为了改善高速无人艇的操纵品质，提出了双螺旋桨-双尾舵协调减摇增稳方法。本技术利用了双螺旋桨的反扭矩，通过桨距差动和转速差动，直接产生快速稳定的减摇力矩，实现滚转角速度增稳；通过调整桨距差动和转速差动的操纵增益，可组成多种时变的匹配控制方式；利用双尾舵产生偏航力矩，不仅克服双螺旋桨桨距差动和转速差动导致的偏航力矩，同时实现偏航角速度增稳；为了进一步增强对滚转角速度和偏航角速度的控制效果，引入偏航-滚转耦合控制和滚转-偏航耦合控制，其中：偏航-滚转耦合控制通过偏航操纵，增强对滚转角速度的控制效果；滚转-偏航耦合通过滚转操纵，增强对偏航角速度的控制效果。与传统的减摇增稳方法相比，本技术避免了减摇过程中产生的不必要偏航力矩，而且结构简单、重量轻、功耗低，便于高速无人艇搭载。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中无人艇转动惯量小，横向稳定性差，易侧翻的不足，本技术提供一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法，改善了无人艇的操纵品质。本技术解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种无人艇减摇增稳系统及方法，包括推进部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，推进部包括左变距螺旋桨、左驱动机构、右变距螺旋桨和右驱动机构，并有：所述左驱动机构驱动左变距螺旋桨，所述右驱动机构驱动右变距螺旋桨，所述左变距螺旋桨和右变距螺旋桨旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩，以及辅助的偏航力矩；优选地，根据发动机的油耗-功率曲线选择发动机的经济转速，以及对应的左变距螺旋桨与右变距螺旋桨的转速范围；优选地，以桨距差动为主，转速差动为辅，通过对左变距螺旋桨与右变距螺旋桨的转速进行差动控制，辅助桨距差动进一步增强滚转力矩；滚转增稳部包括滚转角速度陀螺、滚转角速度指令器和滚转角速度控制器，并有：滚转角速度指令器和滚转角速度控制器依次连接至推进部，滚转角速度陀螺连接至滚转角速度控制器；尾舵部包括左舵、左舵机、右舵和右舵机，并有：左舵机用于驱动左舵，右舵机用于驱动右舵，通过左舵和右舵的同步偏转产生偏航力矩，以及辅助的滚转力矩；偏航增稳部包括偏航角速度陀螺、偏航角速度指令器和偏航角速度控制器，并有：偏航角速度指令器和偏航角速度控制器依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺连接至偏航角速度控制器；耦合控制部包括滚转-偏航耦合控制器和偏航-滚转耦合控制器，其中，滚转-偏航耦合控制器与滚转角速度指令器和偏航角速度控制器相连，用于产生滚转对偏航的耦合控制；偏航-滚转耦合控制器与偏航角速度指令器和滚转角速度控制器相连，用于产生偏航对滚转的耦合控制。一种无人艇滚转-航向协调增稳控制方法，包括上述的无人艇减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳、偏航角速度增稳和滚转-偏航耦合控制的步骤，其中，滚转角速度增稳用于保持期望的滚转角速度，具体步骤包括：滚转角速度指令器与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令uP，并发送给滚转角速度控制器，其中，uP计算公式为：uP＝Kφeφ(1)其中，Kφ是指令系数；同时，滚转角速度陀螺检测无人艇的滚转角速度P，并发送给滚转角速度控制器；然后，滚转角速度控制器根据滚转角速度指令uP和滚转角速度P，计算滚转角速度误差eP；滚转角速度控制器根据滚转角速度误差eP生成滚转角速度增稳指令uLatP：其中，是控制比例系数；P是滚转角速度陀螺检测到的滚转角速度；滚转角速度增稳指令uLatP通过改变左变距螺旋桨的转速ΩL和右变距螺旋桨的转速ΩR，以消除滚转角速度误差eP，实现滚转角速度增稳和控制；在改变左变距螺旋桨的转速ΩL和右变距螺旋桨的转速ΩR的过程中，会导致左变距螺旋桨和右变距螺旋桨的推力出现差动，进而产生不必要的偏航力矩NΩ；为了克服NΩ的影响，需协同尾舵同步偏转实现偏航角速度增稳控制；偏航角速度增稳用于保持期望的偏航角速度，具体步骤包括：偏航角速度指令器与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令uR，并发送给偏航角速度控制器，uR的计算公式为：uR＝Kψeψ(3)其中，Kψ是指令系数。同时，偏航角速度陀螺检测无人艇的偏航角速度R，并发送给偏航角速度控制器；然后，偏航角速度控制器根据偏航角速度指令uR和偏航角速度R，计算偏航角速度误差eR；接着，偏航角速度控制器根据偏航角速度误差eR生成偏航角速度增稳指令uRudR：其中，是控制比例系数，R是偏航角速度陀螺检测到的偏航角速度；为了进一步增强对滚转角速度和偏航角速度的控制效果，引入了耦合控制部；耦合控制部包括偏航-滚转耦合控制和滚转-偏航耦合控制，其中：偏航-滚转耦合控制通过偏航操纵，增强对滚转角速度的控制效果；滚转-偏航耦合通过滚转操纵，增强对偏航角速度的控制效果；滚转-偏航耦合控制具体步骤包括：滚转-偏航耦合控制器与偏航角速度指令器相连，根据偏航角速度指令器生成的偏航角速度指令uR，计算得到滚转耦合指令uLatR，以辅助滚转控制；可选地，滚转耦合指令uLatR采用比例计算方式：其中，是滚转-偏航耦合比例系数，用于实现基于滚转操纵的偏航控制；滚转指令uLat由滚转增稳指令uLatP和滚转耦合指令uLatR合成得到；其中，滚转增稳指令uLatP用于产生滚转力矩以消除滚转角速度误差eP，实现滚转角速度增稳和控制；滚转耦合指令uLatR用于产生辅助的滚转力矩，以增强滚转角速度的控制效果；滚转指令uLat发送给左变距螺旋桨、右变距螺旋桨、左驱动机构和右驱动机构，实现滚转增稳和控制：根据滚转指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ1uLat和转速增量指令uΔΩ＝λΩuLat；进而得到左变距螺旋桨的桨距增量控制指令uΔθL＝uΔθ和右变距螺旋桨的桨距增量控制指令uΔθR＝-uΔθ，其中uΔθL和uΔθR大小相等，方向相反；同时得到左驱动机构的转速增量指令uΔΩL＝uΔΩ和uΔΩR＝-uΔΩ，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人艇滚转‑航向协调增稳控制系统，其特征在于：包括推进部、推进控制部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，推进部包括左变距螺旋桨(2)、左驱动机构(21)、右变距螺旋桨(3)和右驱动机构(31)，并有：所述左驱动机构(21)驱动左变距螺旋桨(2)，所述右驱动机构(31)驱动右变距螺旋桨(3)，所述左变距螺旋桨(2)和右变距螺旋桨(3)旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；滚转增稳部包括滚转角速度陀螺(6)、滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)，并有：滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)依次连接至推进部，滚转角速度陀螺(6)连接至滚转角速度控制器(62)；尾舵部包括左舵(4)、左舵机(41)、右舵(5)和右舵机(51)，并有：左舵机(41)用于驱动左舵(4)，右舵机(51)用于驱动右舵(5)，左舵(4)和右舵(5)同步偏转，共同产生偏航力矩；偏航增稳部包括偏航角速度陀螺(7)、偏航角速度指令器(71)和偏航角速度控制器(72)，并有：偏航角速度指令器(71)和偏航角速度控制器(72)依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺(7)连接至偏航角速度控制器(72)；耦合控制部包括滚转‑偏航耦合控制器(81)和偏航‑滚转耦合控制器(82)，其中，滚转‑偏航耦合控制器(81)与滚转角速度指令器(61)和偏航角速度控制器(72)相连，用于产生滚转对偏航的耦合控制；偏航‑滚转耦合控制器(82)与偏航角速度指令器(71)和滚转角速度控制器(62)相连，用于产生偏航对滚转的耦合控制。...

【技术特征摘要】
1.一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统，其特征在于：包括推进部、推进控制部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，推进部包括左变距螺旋桨(2)、左驱动机构(21)、右变距螺旋桨(3)和右驱动机构(31)，并有：所述左驱动机构(21)驱动左变距螺旋桨(2)，所述右驱动机构(31)驱动右变距螺旋桨(3)，所述左变距螺旋桨(2)和右变距螺旋桨(3)旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；滚转增稳部包括滚转角速度陀螺(6)、滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)，并有：滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)依次连接至推进部，滚转角速度陀螺(6)连接至滚转角速度控制器(62)；尾舵部包括左舵(4)、左舵机(41)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冠林，唐宁，王宜东，
申请(专利权)人：山东智翼航空科技有限公司，
类型：新型
国别省市：山东,37