一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法，属于无人艇技术领域。所述无人潜航器自主回收控制系统包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；其中，双体无人船运动控制系统包括船鲁棒性控制器；无人潜航器运动控制系统包括L1自适应控制器；通过对船鲁棒性控制器和L1自适应控制器进行设计，保证了双体船在最优航向上的平台稳定，并且实现了无人潜航器回收过程的高精度运动控制。同时，本发明专利技术设计的自主回收控制系统能够有效的抑制信号中的高频振荡，且对冲击性的干扰不敏感，可显著提高回收控制系统的响应速度、精度，大大提高了潜航器的回收效率和成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法
本专利技术涉及无人艇
，具体涉及一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法。
技术介绍
无人潜航器是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具，主要指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业的智能化系统。随着人类对海洋资源的日益重视，近年来各类海洋机器人技术得到蓬勃发展，其中水下潜航器依靠其卓越的水下侦察、探测能力，引发了巨大的关注。受能源的约束，水下潜航器无法长时间工作，每当能源低于一定范围值时，需要母船对其进行回收。现如今回收方式众多，但普遍存在着回收机构设计复杂、回收效率低等问题，这无疑将给水下潜航器的回收工作带来诸多麻烦。此外，水下环境复杂多变，不时伴有海流与洋流扰动，给潜航器回收带来诸多不确定性。因此，急需一种设计简洁、可靠性高的回收系统或方法来解决上述问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题和不足，本专利技术的目的在于提供一种无人潜航器自主回收控制系统及其控制方法。基于上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种无人潜航器自主回收控制系统，包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；双体无人船主控系统用于接收回收指令，并将回收指令传输至双体无人船运动控制系统；所述双体无人船运动控制系统根据回收指令完成双体无人船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；所述双体无人船主控系统根据反馈的完成动力定位的指令向潜航器自主回收控制系统发出回收下降指令；所述潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；所述无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，控制潜航器进入回收装置；所述潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统，双体无人船主控系统向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；所述无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；所述潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述双体无人船运动控制系统包括参考信号模块、船鲁棒性控制器、推进器、干扰估测器、无人船、目标函数模块、极值搜索算法模块；所述船鲁棒性控制器分别与参考信号模块、干扰估测器和推进器连接；所述无人船分别与推进器、目标函数模块连接；所述极值搜索算法模块分别与目标函数模块、参考信号模块连接。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述参考信号模块的输入为期望位置坐标与期望航向，期望的位置坐标由用户通过双体无人船主控系统设置，期望航向则根据极值搜索算法模块的优化结果获得；输出为期望的速度矢量，所述期望的速度矢量包括期望的纵荡速度、横荡速度与艏摇角速度。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述船鲁棒性控制器的输入为无人船实时的速度矢量和期望的速度矢量的偏差、风浪流作用于无人船的力与力矩的估计值、无人船实时的速度矢量信息，船鲁棒性控制器的输出为控制指令，以达到修正无人船位姿到期望的位置与角度；所述实时的速度矢量包括实时的纵荡速度、横荡速度与艏摇角速度。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述推进器用于控制无人船航行，推进器的输入为控制指令，推进器的输出为作用于船的推进力与力矩。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述干扰估测器的输入为风浪流引起的外界环境干扰数据，输出为风浪流作用于船的力与力矩的估计值；其中风浪流数据包括风速、风向、浪高、浪向、浪频、流速、流向；所述干扰估测器主要用于估计风浪流引起的外界干扰。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述目标函数模块输入为船的实时速度状态、航向和驱动力，目标函数模块中，运行有公式J，通过公式J对输入值进行转化，最终得到评估结果J，并将J作为输出值传递至极值搜索算法模块；其中公式J的表达式为：式中b1、b2、b3为常数代价因子；y(3)表示位姿矢量y的第三个标量值即航向；φ风浪流耦合后所形成的复合干扰作用于船的方向；所述目标函数模块的输出为实时的无人船能量消耗功率值。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述极值搜索算法模块主要是根据目标函数模块的评价结果即J的大小，通过寻优机制不断地优化船的期望航向，从而保证船在该航向下，能量消耗最小，提高船在干扰下延长动力定位的续航能力；所述极值搜索算法模块输入为实时的无人船能量消耗功率值，输出值为期望航向，并将期望航向传递到参考信号模块。根据上述的无人潜航器自主回收控制系统，优选地，所述船鲁棒性控制器主要用于调节双体船在纵向、横向、艏向上的运动，所述船鲁棒性控制器的设计方法为：(1)构建双体船动力学模型：首先，通过构建双体船动力学模型，确定被控对象的数学模型，为船鲁棒性控制器的设计奠定基础，所述双体船动力学模型如式(Ⅰ)所示：式中，x＝[u,v,r]T表示双体船的速度矢量，u是纵向速度，v是横向速度，r是艏摇速度；T表示对矩阵进行转置；表示附加质量矩阵且m表示船的质量，xg表示船的重心；表示船的线性阻尼矩阵，表示船的非线性阻尼矩阵，表示为柯氏力矩阵，其中，Y|r|v，Y|v|r，N|v|r，N|r|v表示水动力系数，且为正常数，由实船水动力实验获取；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示推进器动力输入，τ1表示纵向推进力，τ2表示横向推进力，τ3表示艏向推进力；τE表示由风浪流引起的外界环境干扰；表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵，且a1,a2,a3均为正的实常数；y＝[y1,y2,y3]T表示输出的双体船位姿变量矩阵，其中，y1表示纵向位移、y2表示横向位移，y3表示艏摇角度；(2)设计无人船不确定性参数逼近器：其次，为了提高双体船的动力定位精度，使双体船的模型更加精确，本专利技术设计了无人船不确定性参数逼近器用来补偿模型的不确定性，为船鲁棒性控制器的设计创造条件，所述无人船不确定性参数逼近器的公式如式(Ⅱ)所示：式中，δ表示双体船中的不确定性和海洋干扰；β是正常数；其中，表示双体船不确定性的估计值，表示柯氏力矩阵的估计值，表示非线性阻尼矩阵的估计值；Lα、λ1、λ2均为正常数；(3)构建鲁棒性滑模面：再次，为了保证双体船速度误差的快速收敛，实现双体船位置与航向角的误差收敛，使双体船能够实现动力定位，本专利技术构建了鲁棒性滑模面，为船鲁棒性控制器的设计指明了方向，所述鲁棒性滑模面的公式如式(Ⅲ)所示：式中，xe＝x-xd,ye＝y-yd，yd表示给定的无人船期望的位置，xd＝A-Tyd，c1,c2,c3,c4均为用于调节滑模面收敛趋势的正常数；(4)设计滑模控制律：此外，本专利技术以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；双体无人船主控系统用于接收回收指令，并将回收指令传输至双体无人船运动控制系统；所述双体无人船运动控制系统根据回收指令完成双体无人船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；所述双体无人船主控系统根据反馈的完成动力定位的指令向潜航器自主回收控制系统发出回收下降指令；所述潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；所述无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，控制潜航器进入回收装置；所述潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统，双体无人船主控系统向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；所述无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；所述潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。/n...

【技术特征摘要】
1.一种无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，包括双体无人船主控系统、双体无人船运动控制系统、潜航器自主回收控制系统、无人潜航器运动控制系统；双体无人船主控系统用于接收回收指令，并将回收指令传输至双体无人船运动控制系统；所述双体无人船运动控制系统根据回收指令完成双体无人船的动力定位，并将完成动力定位的指令反馈给双体无人船主控系统；所述双体无人船主控系统根据反馈的完成动力定位的指令向潜航器自主回收控制系统发出回收下降指令；所述潜航器自主回收控制系统根据回收下降指令将回收装置下放到水下对接准备点位置，并将水下对接准备点位置信息发送给无人潜航器运动控制系统；所述无人潜航器运动控制系统根据水下对接准备点位置，规划出潜航器与水下对接准备点位置间的期望路径，控制潜航器进入回收装置；所述潜航器自主回收控制系统将潜航器进入回收装置的指令反馈给双体无人船主控系统，双体无人船主控系统向无人潜航器运动控制系统发送对接完成指令，同时，双体无人船主控系统向潜航器自主回收控制系统发出回收上升指令；所述无人潜航器运动控制系统根据对接完成指令将潜航器调整为待机状态；所述潜航器自主回收控制系统根据回收上升指令控制回收装置的上升，完成潜航器的回收。


2.根据权利要求1所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述双体无人船运动控制系统包括参考信号模块、船鲁棒性控制器、推进器、干扰估测器、无人船、目标函数模块、极值搜索算法模块；所述参考信号模块的输入为期望的位置坐标与期望航向，输出为期望的速度矢量；所述船鲁棒性控制器的输入为无人船实时的速度矢量和期望的速度矢量的偏差、风浪流作用于无人船的力与力矩的估计值、无人船实时的速度矢量信息，船鲁棒性控制器的输出为控制指令；所述推进器用于控制无人船航行，推进器的输入为控制指令，推进器的输出为作用于船的推进力与力矩；所述干扰估测器的输入为风浪流引起的外界环境干扰数据，干扰估测器的输出为风浪流作用于船的力与力矩的估计值；所述目标函数模块的输入为船的实时速度状态、航向和驱动力，目标函数模块的输出为实时的无人船能量消耗功率值；所述极值搜索算法模块输入为实时的无人船能量消耗功率值，输出值为期望航向，并将期望航向传递到参考信号模块。


3.根据权利要求2所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述船鲁棒性控制器的设计方法为：
(1)构建双体船动力学模型：
构建双体船动力学模型，所述双体船动力学模型公式如式(Ⅰ)所示：



式中，x＝[u,v,r]T表示双体船的速度矢量，u是纵向速度，v是横向速度，r是艏摇速度；T表示对矩阵进行转置；表示附加质量矩阵且其中，m表示船的质量，xg表示船的重心；表示船的线性阻尼矩阵；表示船的非线性阻尼矩阵；表示为柯氏力矩阵，其中，上述表达式中Xu,X|u|u,Xuuu,Yv,Y|v|v,Nv,N|v|v,Yr,Y|r|r,Nr,N|r|r，Y|r|v，Y|v|r，N|v|r，N|r|v均表示水动力系数，且均为正常数；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示推进器动力输入，其中，τ1表示纵向推进力，τ2表示横向推进力，τ3表示艏向推进力；τE表示由风浪流引起的外界环境干扰；表示将速度信息转化为位置信息的转换矩阵，且a1,a2,a3均为正的实常数；y＝[y1,y2,y3]T表示输出的双体船位姿变量矩阵，其中，y1表示纵向位移、y2表示横向位移，y3表示艏摇角度；
(2)设计无人船不确定性参数逼近器：
设计无人船不确定性参数逼近器来补偿双体无人船模型的不确定性，所述无人船不确定性参数逼近器的公式如式(Ⅱ)所示：



式中，δ表示双体船中的不确定性和海洋干扰；β是正常数；其中，表示双体船不确定性的估计值；表示柯氏力矩阵的估计值；表示非线性阻尼矩阵的估计值；Lα、λ1、λ2均为正常数；
(3)构建鲁棒性滑模面：
构建鲁棒性滑模面，所述鲁棒性滑模面的公式如式(Ⅲ)所示：



式中，xe＝x-xd,ye＝y-yd；yd表示无人船期望的位置，xd＝A-Tyd；c1,c2,c3,c4均为用于调节滑模面收敛趋势的正常数；
(4)设计滑模控制律：
以鲁棒性滑模面为基础，设计滑模控制律，其中根据鲁棒性滑模面S的导数方程、双体船动力学模型的式(Ⅰ)和无人船不确定性参数逼近器的式(Ⅱ)来构建等效控制律τeq，所述等效控制律τeq的公式如式(Ⅴ)所示；根据鲁棒性滑模面S的式(Ⅲ)与模型不确定性和外界干扰耦合后的幅值上界来构建切换控制律τsw，所述切换控制律τsw的公式如式(Ⅵ)所示；
τc＝τeq+τsw(Ⅳ)






式中，τeq表示等效控制律，τsw为切换控制律，k1sw是一个正常数，表示切换增益；
(5)设计切换增益调节器：
设计切换增益调节器调节切换增益幅值，所述切换增益调节器公式如式(Ⅶ)所示：



式中，k2sw表示一个正常数，e为一个指数函数，ε表示滑模面厚度的阈值且为常数，||·||∞表示矢量的无穷范数。


4.根据权利要求1所述的无人潜航器自主回收控制系统，其特征在于，所述无人潜航器运动控制系统包括路径规划模块、状态矢量转化模块、L1自适应控制器、驱动器、水下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王曰英，陈汇资，吴乃龙，周卫祥，成敏，杜鑫，付俊，解相朋，姜斌，罗均，汪小帆，杨希祥，严怀成，
申请(专利权)人：王曰英，
类型：发明
国别省市：上海;31