一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法技术

本发明专利技术涉及一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，由执行机构与传感装置、垂直面控制器和姿态优化器组成。执行机构与传感装置由布置在潜航器艏部和艉部的若干浮力调节装置及艏艉舵组成。垂直面控制器通过串级控制操纵各艏艉舵实现俯仰角、深/高度控制。姿态优化器由零舵角控制器、零攻角控制器和浮力调节指令分配器组成，零攻角控制器和零舵角控制器分别以攻角值和舵角加权值为输入计算艏艉浮力调节装置的质量之和、质量之差，浮力调节指令分配器以最小化质量变化量为目标，计算控制器输出的质量之和、质量之差到各浮力调节质量的最优分配。本发明专利技术基于浮力调节装置及优化控制算法实现潜航器零攻角、零舵角航行，降低航行阻力、增加航程。力、增加航程。力、增加航程。

【技术实现步骤摘要】
一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法


[0001]本专利技术涉及水下机器人控制领域，尤其涉及一种面向长航程潜航器的控制方法，具体的说是一种潜航器航行姿态优化控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，世界各国对海洋资源的勘探和开发利用越来越重视，且逐渐向深远海发展。潜航器作为探索海洋的重要工具和载体，也向长航程、大深度发展，潜航器的节能减阻技术是增加航程的重要手段，其中潜航器稳态航行时的姿态对阻力影响较大，特别是稳态时攻角和舵角的存在会导致能耗增加、航程缩短。当潜航器在不同深度、不同海域航行时，海洋环境差异大，自身浮力发生变化，潜航器需要一定的攻角和舵角平衡浮力变化引起的外力和外力矩变化。综上，优化潜航器姿态，减小潜航器稳态航行时的攻角和舵角是减小能耗提高航程的关键技术之一，目前长航程潜航器都配有浮力调节装置，并通过检测海水密度、估计浮力等方法调整浮力调节装置，对潜航器参数、装置控制和传感器精度要求较高，适应性不足，也不能实现最优的姿态调节，因此基于浮力调节装置的航行姿态优化控制算法方面尚有不足。

技术实现思路

[0003]针对上述长航程潜航器对节能减阻方面的需求以及目前基于浮力调节装置的航行姿态优化控制算法方面尚有不足问题，本专利技术提出了一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，实现潜航器稳态航行时零攻角、零舵角控制。
[0004]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，包括以下步骤：
[0005]通过垂直面控制器操纵潜航器各艏艉舵，实现潜航器垂直面的运动控制；
[0006]通过姿态优化器控制潜航器攻角和舵角，调整浮力调节装置艏部和艉部的质量分布，实现潜航器的姿态控制。
[0007]所述姿态优化器包括零舵角控制器、零攻角控制器和浮力调节指令分配器；
[0008]所述零攻角控制器输入为设定的攻角指令及传感器检测的当前攻角值，采用增量式PID算法计算达到攻角指令所需的艏浮力调节装置与艉浮力调节装置的质量之和指令；
[0009]所述零舵角控制器输入为设定的舵角加权和指令及由传感器检测的各个舵角值的加权和，采用增量式PID算法计算达到舵角加权和指令为零所需的艏浮力调节装置与艉浮力调节装置的质量之差指令；
[0010]所述浮力调节指令分配器以最小化调节量为目标、以零攻角控制器和零舵角控制器分别输出的浮力调节质量之和指令、质量之差指令为约束条件，采用最优化方法实现零攻角控制器和零舵角控制器输出的综合浮力调节指令到各个浮力调节装置指令的分配。
[0011]所述浮力调节指令分配器输入为零攻角控制器、零舵角控制器分别输出的浮力调节质量之和指令浮力调节质量之差指令输出为N个艏浮力调节装置的质量指令
M个艏浮力调节装置的质量指令M个艏浮力调节装置的质量指令输入到输出的处理过程转化为有约束二次规划求解问题，待求解的变量为各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置的质量指令，目标函数为各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置的质量变化量平方和最小，约束条件为各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置质量指令之和等于输入的质量之和指令、各艏浮力调节装置和艉浮力调节装置质量指令之差等于输入的质量之差指令。
[0012]所述浮力调节指令分配器执行以下步骤：
[0013]待求解变量：
[0014]目标函数：
[0015]约束条件：
[0016]根据约束条件，对目标函数进行最小化，得到最优的N个艏浮力调节装置的质量指令和M个艏浮力调节装置的质量指令
[0017]所述对目标函数进行最小化采用一阶通用二次规划求解器、内点法、积极集法、智能搜索算法中的任意一种方法进行求解。
[0018]本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术提出了一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，可实现潜航器稳态航行时零攻角、零舵角控制，可有效降低潜航器阻力，增加航程。
[0019]2.本专利技术基于增量式PID形成深度控制器、俯仰角控制器、零攻角控制器、零舵角控制器，采用统一的控制器形式，且充分考虑控制器输出的量程限制和变化量限制，设计简单、性能可靠。
[0020]3.本专利技术将浮力调节装置的指令分配问题转化为可通用化的有约束最优化问题，所求分配结果更优且适用于不同规模、不同调节能力的装置条件，具有较好扩展性。
附图说明
[0021]图1为一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法结构图。
[0022]图2为一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法仿真结果图。
具体实施方式
[0023]下面举仿真实例对上述技术方案中描述的方法进行说明：
[0024]1.一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，其原理是利用艏部和艉部部署多个浮力调节装置时可改变潜航器质量和质量分布，从而改变潜航器净浮力和浮力力矩，进而影响攻角和舵角的特性，采用优化控制算法实现零攻角、零舵角航行控制；具体为，可通过调整艏部和艉部各浮力调节装置的质量之和改变净浮力，净浮力为垂直方向，若要平衡垂直方向力的变化需要推进器在垂直方向上产生分力，即需要调整潜航器攻角，通过调整浮
力调节装置艏部和艉部的质量分布，即质量之差，可改变潜航器的浮力力矩，进而影响平衡俯仰力矩，进而影响舵角的改变；
[0025]2.基于上述原理，所述一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，由执行机构、传感装置、垂直面控制器和姿态优化器组成，各部分组成和工作流程如下：
[0026](1)执行机构与传感装置包括：布置在潜航器艏部和艉部的若干浮力调节装置，艏艉舵，各控制器所需的深度值、高度值、俯仰角值、攻角值、舵角值、浮力调节装置质量值检测传感器；其中，设艏部配置N个、艉部配置M个浮力调节装置，每个浮力调节装置可通过泵吸入或排出液体，改变潜航器质量，从而调节潜航器的净浮力(即浮力与重力之差)及力矩，各个浮力调节装置接收姿态优化器输出的质量指令，并通过配备的液位传感器和质量控制器，实现质量的检测和质量的控制，质量控制器根据当前质量值与质量指令之差调节泵吸入或排出液体，从而调节装置质量达到质量指令值；各个舵接收垂直面控制器输出的舵角指令，并通过配备的舵角传感器和舵角控制器实现舵角检测和舵角控制；
[0027](2)垂直面控制器由深/高度控制器、俯仰角控制器、力矩分配器组成，通过深/高度
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俯仰角
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力矩分配的串级控制方法，操纵各艏艉舵实现垂直面的运动控制，其中，深/高度控制器接收外部深/高度指令值，根据传感装置检测的当前深/高度值，采用增量式PID算法计算达到给定深/高度指令所需的俯仰角指令；俯仰角控制器以深/高度控制器输出的俯仰角指令为输入，根据传感器检测的当前俯仰角值，采用增量式PID算法计算达到给定俯仰角指令所需的俯仰力矩指令；力矩分配器将俯仰角控制器输出的俯仰力矩指令分配到各个舵，即计算各个舵角指令，由各个舵完成舵角的控制；
[0028](3)姿态优化器由零舵角控制器、零攻角控制器和浮力调节指令分配器组成，其中，零攻角控制器输入为设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：通过垂直面控制器操纵潜航器各艏艉舵，实现潜航器垂直面的运动控制；通过姿态优化器控制潜航器攻角和舵角，调整浮力调节装置艏部和艉部的质量分布，实现潜航器的姿态控制。2.根据权利要求1所述的一种潜航器垂直面航行姿态优化控制方法，其特征在于，所述姿态优化器包括零舵角控制器、零攻角控制器和浮力调节指令分配器；所述零攻角控制器输入为设定的攻角指令及传感器检测的当前攻角值，采用增量式PID算法计算达到攻角指令所需的艏浮力调节装置与艉浮力调节装置的质量之和指令；所述零舵角控制器输入为设定的舵角加权和指令及由传感器检测的各个舵角值的加权和，采用增量式PID算法计算达到舵角加权和指令为零所需的艏浮力调节装置与艉浮力调节装置的质量之差指令；所述浮力调节指令分配器以最小化调节量为目标、以零攻角控制器和零舵角控制器分别输出的浮力调节质量之和指令、质量之差指令为约束条件，采用最优化方法实现零攻角控制器和零舵角控制器输出的综合浮力调节指令到各个浮力调节装置指令的分配。3.根据权利要求2所述的一种潜航器垂直面航行姿态优化控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，于海斌，李硕，刘健，许以军，陆云松，张吉龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：