一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法技术

本发明专利技术属于水下机器人航行控制领域，具体涉及一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法。基于零航速减摇鳍稳定器工作原理的水平舵可以实现在低速航行时对横摇和纵摇运动进行主动减摇。本发明专利技术首先以带有水平舵的AUV为研究对象，确立水平舵的升力模型，然后分析四个水平舵的在AUV产生横摇和纵摇运动时一个周期内的受力和运动情况，计算出AUV的横摇和纵摇运动的扶正力矩，进而根据AUV产生横摇运动或者纵摇运动的周期内水平舵的运动情况，将AUV收到的干扰力和有水平舵产生的扶正力矩相结合总结出利用水平舵实现减横摇和纵摇的方法。本发明专利技术有效的提高了水下航行器的抗干扰能力。

A method to reduce roll and pitch of AUV with self-contained horizontal rudder

The invention belongs to the navigation control field of an underwater robot, in particular to a method for reducing the roll and pitch of an AUV by using a self-contained horizontal rudder. Based on the working principle of zero speed fin stabilizer, the horizontal rudder can reduce the roll and pitch motion at low speed. The invention firstly takes AUV with horizontal rudder as the research object, establishes the lift model of horizontal rudder, then analyzes the force and motion of four horizontal rudders in a period when the AUV generates roll and pitch motion, calculates the righting moment of roll and pitch motion of AUV, and then according to the motion of horizontal rudder in the period when the AUV generates roll or pitch motion, the AUV Combining the interference force received with the righting moment generated by the horizontal rudder, the method of roll reduction and pitch reduction by using the horizontal rudder is summarized. The invention effectively improves the anti-interference ability of the underwater vehicle.

【技术实现步骤摘要】
一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法
本专利技术属于水下机器人航行控制领域，具体涉及一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法。
技术介绍
当水下航行器以低速在近水面航行时，由于受到来自海浪，海风和流的影响，它们将会产生剧烈地横摇，纵摇，和升沉运动。这些干扰严重影响水下航行器的正常工作和安全。为了提高水下航行器的抗干扰能力，提出了利用水下机器人本身自带的水平舵减小其在水下航行时候的横摇和纵摇运动。并深入研究了在遭遇海浪干扰的情况下AUV自带的水平舵的受力情况，并由此确立了基于自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高水下航行器的抗干扰能力，利用水下机器人本身自带的水平舵减小其在水下航行时候的横摇和纵摇运动，提出一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，包括以下步骤：步骤一：计算水平舵的升力；步骤二：以具有水平舵的AUV作为研究模型，分析四个水平舵fin1，fin2，fin3，fin4的受力情况及减摇方式；步骤三：基于上述分析，对AUV出现的横摇和纵摇运动进行数学建模，建立横摇和纵摇的扶正力矩，进而根据AUV产生横摇运动和纵摇运动的周期内水平舵的运动情况，将AUV收到的干扰力和有水平舵产生的扶正力矩相结合，利用水平舵实现减小AUV横摇和纵摇。本专利技术还可以包括：根据步骤一中所述的计算水平舵的升力，具体是：水平舵的合力表示为：其中Cd是阻力系数；2a是水平方向舵的弦长；c是中舵与舵轴之间的距离；e是舵的跨度长度；ω(t)是方向舵的角速度；J是额外的惯性矩；ρ是流体的密度；d是增加的质量力和舵轴之间的距离；当水平舵与水平方向之间的角度为α(t)时，升力L(t)在垂直方向表示为：L(t)＝F(t)cosα(t)。步骤二中所述的四个水平舵在AUV向右侧横摇运动时受力情况及减摇方式具体为：若AUV受到一个向右的海浪冲击，这时候AUV会向右侧产生横摇运动，此时，由角速度传感器将AUV的横摇运动信号传递给横摇控制器，控制器根据设定好的控制规律计算出水平舵的运动方式，此时水平舵会产生一个对抗海浪的力矩，在AUV达到最大右倾角的时候便开始向左运动，这时候横摇控制器会根据此时的横摇状况产生力矩；当AUV第一次回到平衡位置的时候，水平舵也第一次回到初始位置，接着AUV将继续向左横摇，此时候横摇控制器会根据这时候的横摇状况产生力矩，当AUV达到向左的最大横倾角的时候开始向右摇摆，当AUV第二次回到平衡位置的时候，就是一个完整的横摇周期；在下一个周期到来的时候，AUV的水平舵将重复上述运动，对AUV进行横摇减摇。步骤二中所述的四个水平舵在AUV顺时针纵倾运动时受力情况及减摇方式具体为：若AUV首先被波浪推向左侧，它将向顺时针纵倾；角速度传感器将滚动信息传送给控制器，然后控制器计算出所需的复原力矩和驱动水平方向舵抵抗干扰；同时，前端的水平舵将顺时针旋转并沿Z轴的负方向产生升力，后端的水平舵将顺时针旋转并沿Z轴的正方向产生升力；在侧倾角达到最大值后，它将逆时针摆动，然后AUV将返回初始平衡位置，水平方向舵也返回到初始平衡位置；然后推动AUV通过向右的波浪，它将继续向逆时针纵倾，前端的水平方向舵将逆时针旋转并沿正方向绕Z轴产生升力，尾部的水平方向舵将逆时针旋转并沿负方向产生升力，当Z轴方向达到最大值时，它将向顺时针方向纵倾，AUV将第二次返回其平衡位置，当AUV第二次回到平衡位置的时候，就是一个完整的纵摇周期；在下一个周期到来的时候，AUV的水平舵将重复上述运动，对AUV进行纵摇减摇。步骤三中针对AUV出现的横摇和纵摇运动进行数学建模，横摇和纵摇扶正力矩表达式为：AUV的横摇扶正力矩表示为：AUV的纵摇力矩表示为：其中：其中Cd是阻力系数；2a是水平方向舵的弦长；c是中舵与舵轴之间的距离；e是舵的跨度长度；J是额外的惯性矩；ρ是流体的密度；d是增加的质量力和舵轴之间的距离；假设四个水平舵fin1，fin2，fin3，fin4沿顺时针方向排布，fin1和fin3以相同的速度旋转，fin2和fin4以相同的速度旋转，fin1和fin2的旋转方向相同，fin3和fin4的旋转方向相同，fin1和fin3的速度和加速度分别为ω1和并且fin2和fin4的速度和加速度分别为ω2和lf是滚动扶正臂；Lf是俯仰扶正臂。本专利技术的有益效果在于：众所周知，当AUV在海面上航行时会受到多种非线性的影响，本专利技术是一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，详细对AUV遭受海浪干扰产生横摇和纵摇运动时的水平舵的受力和运动情况进行详细分析，根据对水平舵的在干扰下的受力分析，明确水平舵在横摇和纵摇周期内应采取的运动方式，并基于水平舵的升力模型，横摇和纵摇运动下的扶正力矩，对AUV进行横摇和纵摇控制。附图说明图1为本专利技术带水平方向舵的AUV示意图。图2(a)为AUV在横摇减摇过程中四个水平方向舵处于惯性工作状态图。图2(b)为AUV在横摇减摇过程中向右侧摆动状态图。图2(c)为AUV在横摇减摇过程中首次返回初始平衡位置状态图。图2(d)为AUV在横摇减摇过程中向左侧摆动状态图。图2(e)为AUV在横摇减摇过程中第二次返回初始平衡位置状态图。图3(a)为AUV在纵摇减摇过程中四个水平方向舵处于惯性工作状态图。图3(b)为AUV在纵摇减摇过程中顺时针纵倾状态图。图3(c)为AUV在纵摇减摇过程中首次返回初始平衡位置状态图。图3(d)为AUV在纵摇减摇过程中逆时针纵倾状态图。图3(e)为AUV在纵摇减摇过程中第二次返回初始平衡位置状态图。具体实施方式下面结合附图和附表对本专利技术进行更详细说明。一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，包括以下步骤：步骤一：计算水平舵的升力。步骤二：以具有水平舵的AUV作为研究模型，分析四个水平舵fin1，fin2，fin3，fin4的受力情况及减摇方法。步骤三：基于上述分析，对AUV出现的横摇和纵摇运动进行数学建模，建立横摇和纵摇的扶正力矩；步骤一中的水平舵的升力具体是：水平舵的合力可表示如下：当水平舵与水平方向之间的角度为α(t)时，升力L(t)在垂直方向表示为：L(t)＝F(t)cosα(t)步骤二中的四个水平舵的受力情况具体为：理想无风浪的情况下，处于无航速的AUV不会产生横摇运动，此时AUV的水平舵都处于初始工作状态，当AUV遭受到海浪的冲击后，便会产生横摇运动。假设AUV受到一个向右的海浪冲击，这时候AUV会向右侧产生横摇运动，此时，由角速度传感器将AUV的横摇运动信号传递给横摇控制器，控制器根据设定好的控制规律计算出水平舵的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：计算水平舵的升力；/n步骤二：以具有水平舵的AUV作为研究模型，分析四个水平舵fin1，fin2，fin3，fin4的受力情况及减摇方式；/n步骤三：基于上述分析，对AUV出现的横摇和纵摇运动进行数学建模，建立横摇和纵摇的扶正力矩，进而根据AUV产生横摇运动和纵摇运动的周期内水平舵的运动情况，将AUV收到的干扰力和有水平舵产生的扶正力矩相结合，利用水平舵实现减小AUV横摇和纵摇。/n

【技术特征摘要】
1.一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：计算水平舵的升力；
步骤二：以具有水平舵的AUV作为研究模型，分析四个水平舵fin1，fin2，fin3，fin4的受力情况及减摇方式；
步骤三：基于上述分析，对AUV出现的横摇和纵摇运动进行数学建模，建立横摇和纵摇的扶正力矩，进而根据AUV产生横摇运动和纵摇运动的周期内水平舵的运动情况，将AUV收到的干扰力和有水平舵产生的扶正力矩相结合，利用水平舵实现减小AUV横摇和纵摇。


2.根据权利要求1所述的一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，其特征在于：根据步骤一中所述的计算水平舵的升力，具体是：
水平舵的合力表示为：



其中Cd是阻力系数；2a是水平方向舵的弦长；c是中舵与舵轴之间的距离；e是舵的跨度长度；ω(t)是方向舵的角速度；J是额外的惯性矩；ρ是流体的密度；d是增加的质量力和舵轴之间的距离；
当水平舵与水平方向之间的角度为α(t)时，升力L(t)在垂直方向表示为：
L(t)＝F(t)cosα(t)。


3.根据权利要求1或2所述的一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，其特征在于，步骤二中所述的四个水平舵在AUV向右侧横摇运动时受力情况及减摇方式具体为：若AUV受到一个向右的海浪冲击，这时候AUV会向右侧产生横摇运动，此时，由角速度传感器将AUV的横摇运动信号传递给横摇控制器，控制器根据设定好的控制规律计算出水平舵的运动方式，此时水平舵会产生一个对抗海浪的力矩，在AUV达到最大右倾角的时候便开始向左运动，这时候横摇控制器会根据此时的横摇状况产生力矩；当AUV第一次回到平衡位置的时候，水平舵也第一次回到初始位置，接着AUV将继续向左横摇，此时候横摇控制器会根据这时候的横摇状况产生力矩，当AUV达到向左的最大横倾角的时候开始向右摇摆，当AUV第二次回到平衡位置的时候，就是一个完整的横摇周期；在下一个周期到来的时候，AUV的水平舵将重复上述运动，对AUV进行横摇减摇。


4.根据权利要求1或2所述的一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，其特征在于，步骤二中所述的四个水平舵在AUV顺时针纵倾运动时受力情况及减摇方式具体为：若AUV首先被波浪推向左侧，它将向顺时针纵倾；角速度传感器将滚动信息传送给控制器，然后控制器计算出所需的复原力矩和驱动水平方向舵抵抗干扰；同时，前端的水平舵将顺时针旋转并沿Z轴的负方向产生升力，后端的水平舵将顺时针旋转并沿Z轴的正方向产生升力；在侧倾角达到最大值后，它将逆时针摆动，然后AUV将返回初始平衡位置，水平方向舵也返回到初始平衡位置；然后推动AUV通过向右的波浪，它将继续向逆时针纵倾，前端的水平方向舵将逆时针旋转并沿正方向绕Z轴产生升力，尾部的水平方向舵将逆时针旋转并沿负方向产生升力，当Z轴方向达到最大值时，它将向顺时针方向纵倾，AUV将第二次返回其平衡位置，当AUV第二次回到平衡位置的时候，就是一个完整的纵摇周期；在下一个周期到来的时候，AUV的水平舵将重复上述运动，对AUV进行纵摇减摇。


5.根据权利要求3所述的一种使用自带水平舵减小AUV横摇和纵摇的方法，其特征在于，步骤二中所述的四个水平舵在AUV顺时针纵倾运动时受力情况及减摇方式具体为：若AUV首先被波浪推向左侧，它将向顺时针纵倾；角速度传感器将滚动信息传送给控制器，然后控制器计算出所需的复原力矩和驱动水平方向舵抵抗干扰；同时，前端的水平舵将顺时针旋转并沿Z轴的负方向产生升力，后端的水平舵将顺时针旋转并沿Z轴的正方向产生升力；在侧倾角达到最大值后，它将逆时针摆动，然后AUV将返回初始平衡位置，水平方向舵也返回到初始平衡位置；然后推动AUV通过向右的波浪，它将继续向逆时针纵倾，前端的水平方向舵将逆时针旋转并沿正方向绕Z轴产生升力，尾部的水平方向舵将逆时针旋转并沿负方向产生升力，当Z轴方向达到最大值时，它将向顺时针方向纵倾，AUV将第二次返回其平衡位置，当AUV第二次回到平衡位置的时候，就是一个完整的纵摇周期；在下一个周期到来的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：綦志刚，李冰，孙伟星，陈缘，李洋洋，潘建明，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23