一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法技术

本发明专利技术属于航行体控制领域，公开了一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法。步骤1：建立超空泡外形航行体的姿态动力学模型；步骤2：基于步骤1的姿态动力学模型，设计高精度姿态控制律；步骤3：基于步骤2设计的高精度姿态控制律，进行数学仿真分析。本发明专利技术用以解决当航行体同时作俯仰、偏航和滚转三个方向或两个通道组合机动时控制精度不够，或导致航行体姿态失控的问题，实现对航行体姿态的高精度控制。实现对航行体姿态的高精度控制。实现对航行体姿态的高精度控制。

【技术实现步骤摘要】
一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法


[0001]本专利技术属于航行体控制领域，具体涉及一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法。

技术介绍

[0002]超空泡外形的航行体在水下航行尤其是机动航行时，由于俯仰、偏航和滚转三个通道间存在较大的耦合关系，为控制器设计增加了难度，常规航行体姿态控制系统设计都是采用各通道独立设计PID参数的控制策略，这种控制策略在航行器定深直航或弱机动时能保证控制精度满足要求，但当航行体同时作俯仰、偏航和滚转三个方向或两个通道组合机动时，由于通道间的耦合效应，会造成控制精度不够，甚至导致航行体姿态失控。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，用以解决当航行体同时作俯仰、偏航和滚转三个方向或两个通道组合机动时控制精度不够，或导致航行体姿态失控的问题，实现对航行体姿态的高精度控制。
[0004]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立超空泡外形航行体的姿态动力学模型；
[0007]步骤2：基于步骤1的姿态动力学模型，设计高精度姿态控制律；
[0008]步骤3：基于步骤2设计的高精度姿态控制律，进行数学仿真分析。
[0009]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述步骤1具体包括以下步骤：
[0010]步骤1.1：建立航行体姿态动力学方程；
[0011]步骤1.2：建立航行体姿态运动学方程；
[0012]步骤1.3：基于步骤1.1的方程和步骤1.2的方程对俯仰子系统状态方程进行推导；
[0013]步骤1.4：得到俯仰通道的状态方程；
[0014]步骤1.5：得到偏航通道的状态方程；
[0015]步骤1.6：基于步骤1.4和步骤1.5得到滚转通道的状态方程。
[0016]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述步骤1.1的建立航行体姿态动力学方程具体为，
[0017][0018]式中：为三轴转动惯量，为三轴流体力矩，为三轴姿态角速度，B为浮力，T为航行体推力，x
b
,h,z
b
为航行体浮心与质心在三轴投影的差，θ为俯仰角，为滚转角。
[0019]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述步骤1.2的建立航行体姿态运
动学方程具体为，
[0020][0021]式中，ψ为偏航角，为滚转角，θ为俯仰角，为三轴姿态角速度。
[0022]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，是步骤1.3对俯仰子系统状态方程进行推导具体为，
[0023][0024]又由角速度表达式有：
[0025][0026]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述步骤1.4得到俯仰通道的状态方程具体为，
[0027]令得到俯仰通道的状态方程为：
[0028][0029]其中，f
z
代表耦合项。
[0030]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述所述步骤1.5得到偏航通道的状态方程具体为，
[0031]令得到偏航通道的状态方程：
[0032][0033]式中，f
y
代表耦合项。
[0034]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述步骤2的设计高精度姿态控制律具体为：
[0035]对于俯仰子系统，进行精确线性化，得偏航通道的控制律；
[0036]基于自适应律对干扰进行自适应补偿，得到滚转通道控制律。
[0037]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，对于俯仰子系统，进行精确线性化，得偏航通道的控制律具体为，
[0038]取为虚拟控制量，且满足则可以得到俯仰子系统为：
[0039][0040]取滑模面为：
[0041][0042]式中，c为常数且大于0，θ
d
为期望俯仰角，为期望俯仰角速度；
[0043]对其求导可得：
[0044][0045]设计指数型滑模趋近律为：
[0046][0047]式中，ε＞0,k＞0为控制系数；
[0048]联立和得：
[0049][0050]同理可得偏航通道的控制律为：
[0051][0052]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述基于自适应律对干扰进行自适应补偿，得到滚转通道控制律具体为，考虑外界干扰d(t)影响：
[0053][0054]设计自适应律对干扰进行自适应补偿：
[0055][0056]式中，λ为正常数，代表收敛速率，|
·
|代表向量的模；
[0057]故最终滚转通道控制律为：
[0058][0059]本专利技术的有益效果是：
[0060]本专利技术在分别设计三通道回路的同时，考虑三通道间的耦合关系，将其进行协调设计，实现对航行体姿态的高精度控制。
[0061]本专利技术能在设计航行体姿态控制器时，对外界干扰进行自适应高精度估计，从而在姿态控制系统中进行补偿，实现对各通道控制指令的精确跟踪，具备优秀的鲁棒性。
[0062]本专利技术在滑模控制器中采用了指数型滑模趋近律，能够实现对期望指令平滑跟踪，且收敛速度快，收敛时间短。
[0063]本专利技术通过精确线性化的方式设计了俯仰、偏航、滚转三通道的控制器，提高了控制精度，保证了系统稳定性，并且进行三通道的解耦，能够使得三通道分别进行参数整定，从而呈现出更优的控制性能。
附图说明
[0064]图1是本专利技术的结构示意图。
[0065]图2是本专利技术的航行体深度曲线图。
[0066]图3是本专利技术的航行体姿态角曲线图。
[0067]图4是本专利技术的滚转舵偏角示意图。
[0068]图5是本专利技术的俯仰舵偏角示意图。
[0069]图6是本专利技术的偏航舵偏角示意图。
[0070]图7是本专利技术的三维曲线图。
具体实施方式
[0071]下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0072]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
[0073]步骤1：建立超空泡外形航行体的姿态动力学模型；
[0074]步骤2：基于步骤1的姿态动力学模型，设计高精度姿态控制律；
[0075]步骤3：基于步骤2设计的高精度姿态控制律，进行数学仿真分析。
[0076]一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，所述步骤1具体包括以下步骤：
[0077]步骤1.1：建立航行体姿态动力学方程；
[0078]步骤1.2：建立航行体姿态运动学方程；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超空泡外形航行体高精度姿态控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤1：建立超空泡外形航行体的姿态动力学模型；步骤2：基于步骤1的姿态动力学模型，设计高精度姿态控制律；步骤3：基于步骤2设计的高精度姿态控制律，进行数学仿真分析。2.根据权利要求1所述一种控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1：建立航行体姿态动力学方程；步骤1.2：建立航行体姿态运动学方程；步骤1.3：基于步骤1.1的方程和步骤1.2的方程对俯仰子系统状态方程进行推导；步骤1.4：得到俯仰通道的状态方程；步骤1.5：得到偏航通道的状态方程；步骤1.6：基于步骤1.4和步骤1.5得到滚转通道的状态方程。3.根据权利要求2所述一种控制方法，其特征在于，所述步骤1.1的建立航行体姿态动力学方程具体为，式中：为三轴转动惯量，为三轴流体力矩，为三轴姿态角速度，B为浮力，T为航行体推力，x
b
,h,z
b
为航行体浮心与质心在三轴投影的差，θ为俯仰角，为滚转角。4.根据权利要求3所述一种控制方法，其特征在于，所述步骤1.2的建立航行体姿态运动学方程具体为，式中，ψ为偏航角，为滚转角，θ为俯仰角，为三轴姿态角速度。5.根据权利要求4所述一种控制方法，其特征在于，是步骤1.3对俯仰子系统状态方程进行推导具体为，又由角速度表达式有：6.根据权利要求5所述一种控制方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：白瑜亮，张梓晨，王小刚，荣思远，单永志，周宏宇，王帅，张龙，徐天富，郭建明，王晓光，马晓冬，张欢，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：