水下航行器定深控制方法技术

本发明专利技术提供一种水下航行器定深控制方法，该方法包括：S10、在下潜之前进行重浮心位置配置，包括S11、根据期望下潜速度以及许用推力确定下潜角度；S12、根据所述下潜角度确定航行器在水中静止时的俯仰角；S13、基于所述俯仰角配置航行器重浮心位置；S20、在步骤S10基础上，实时获取航行器在水下时的定深控制量；S30、基于所述定深控制量对航行器深度进行控制。采用本发明专利技术方法避免了浮力调节、重心调节和鳍舵装置的使用，降低了水下航行器设计成本，尤其是定深控制系统设计研制成本。深控制系统设计研制成本。深控制系统设计研制成本。

【技术实现步骤摘要】
水下航行器定深控制方法


[0001]本专利技术水下航行器运动控制
，涉及一种水下航行器定深控制方法，尤其是一种水下航行器低成本定深控制方法，该方法尤其适用于类鱼雷型水下航行器的定深控制，该类水下航行器一般长细比较大，在尾部安装推进器以提供推力，并存在一个主要前进方向。

技术介绍

[0002]水下航行器定深控制是运动控制的重要内容，是实现定深巡航、编队控制等任务的基础。
[0003]目前，水下航行器常用的定深控制方法包括浮力调节法、重心调节法和鳍舵法。其中，浮力调节法借助水下航行器的浮力调节装置，通过调整水下航行器的排水体积以调节浮力大小，与重力配合形成整个航行器的正、负或零浮力状态，从而实现上浮、下潜或悬停；重心调节法借助水下航行器内部的重心调节装置，通过调整重心位置，改变水下航行器的俯仰姿态，进而在推力和水动力的作用下实现上浮或下潜；鳍舵法借助水下航行器内部的舵机控制航行器外部的鳍面或舵面，通过鳍面或舵面在航行过程中产生的姿态控制力改变水下航行器的姿态，进而在推力和水动力的作用下实现上浮或下潜。
[0004]上述方法技术成熟，已经得到了充分验证，相关专利包括：CN113277046A,一种基于质心与尾鳍的仿蝠鲼水下航行器定深控制方法，其在仿蝠鲼航行器内部加装了重心调节装置(质心调节块)，并以尾鳍作为舵面，采用重心调节法和鳍舵法实现了水下航行器定深控制；CN113126633A,一种轻型长航程AUV的零攻角定深航行控制方法，其综合利用了浮力调节法、重心调节法和鳍舵法实现了一种轻型长航程水下航行器的定深控制。
[0005]然而，上述定深控制方法均需要水下航行器加装额外装置(如浮力调节装置、重心调节装置或鳍舵等)辅助进行控制，不仅占用了水下航行器的舱内空间，给总体布局带来困难，而且提高了水下航行器，尤其是水下航行器运动控制系统的设计研制成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0007]为此，本专利技术提供了一种水下航行器定深控制方法。
[0008]本专利技术的技术解决方案如下：
[0009]根据一方面，提供一种水下航行器定深控制方法，该方法包括：
[0010]S10、在下潜之前进行重浮心位置配置，包括：
[0011]S11、根据期望下潜速度以及许用推力确定下潜角度；
[0012]S12、根据所述下潜角度确定航行器在水中静止时的俯仰角；
[0013]S13、基于所述俯仰角配置航行器重浮心位置；
[0014]S20、在步骤S10基础上，实时获取航行器在水下时的定深控制量；
[0015]S30、基于所述定深控制量对航行器深度进行控制。
[0016]进一步地，所述根据期望下潜速度以及许用推力确定下潜角度，包括：
[0017]1)、根据期望下潜速度解算下潜角度；
[0018]2)、根据许用推力和航行器初始重浮力配置对步骤1)得到的下潜角度进行校核，若校核成功，则转至步骤3)；否则转至步骤4)；
[0019]3)、对应步骤1)得到的下潜角度满足要求，则转至步骤S12；若校核不成功，
[0020]4)、对应步骤1)得到的下潜角度不满足要求，则调整推力或浮力以使校核结果成功，若无法对推力或浮力进行调整，则转至步骤1)，对期望下潜速度进行调整，并在此基础上重新计算下潜角度。
[0021]进一步地，通过下式根据期望下潜速度解算下潜角度：
[0022][0023]其中，V
H
为期望下潜速度；V
cruise
为巡航速度；θ
H
为期望下潜角度，航行器具有下潜速度时，下潜角度为负。
[0024]进一步地，步骤2)中，若下潜角度满足
‑
T
推
sinθ
H
＞k(B
‑
G)，则判定校核成功；其中，k为补偿系数；T
推
为许用推力；G和B分别为水下航行器所受重力和浮力。
[0025]进一步地，通过下式根据所述下潜角度获取航行器在水中静止时的俯仰角：
[0026][0027]其中，θ0为航行器在水中静止时的俯仰角；j为补偿系数；l
TG
为推进器推力产生的相对于重心的推力矩的力臂；l
BG
为航行器浮力产生的相对于重心的浮力矩的力臂，且
[0028]进一步地，通过下式基于所述俯仰角配置航行器重浮心位置：
[0029]x
B
‑
x
G
＝tanθ0(y
B
‑
y
G
)；
[0030]其中，(x
G
,y
G
)为航行器重心位置，(x
B
,y
B
)为航行器浮心位置。
[0031]进一步地，所述实时获取航行器在水下时的定深控制量，包括：
[0032]根据航行器的当前深度和任务设定的参考深度获取当前时刻深度偏差及对应的深度偏差变化率；
[0033]采用PID算法，基于所述深度偏差变化率计算定深控制量。
[0034]进一步地，通过下式根据航行器的当前深度和任务设定的参考深度获取当前时刻深度偏差：
[0035]e
H
(t)＝H(t)
‑
H
c
(t)
[0036]对深度偏差求差分，得到深度偏差变化率为：
[0037][0038]其中，e
H
(t)为当前时刻深度偏差；H(t)为航行器的当前深度；H
c
(t)为任务设定的参考深度；t为当前时刻；T为控制周期；t
‑
1为上一时刻；ΔH(t)为深度偏差变化率。
[0039]进一步地，通过下式获取定深控制量：
[0040][0041]其中，u为定深控制量；K
p
、K
i
、K
d
分别为比例系数、积分系数和微分系数。
[0042]进一步地，基于所述定深控制量对航行器深度进行控制，具体包括：
[0043]根据所述定深控制量计算推进器动作量ω：ω＝f(u)；
[0044]根据计算得到的推进器动作量控制推进器旋转以实现对航行器深度的控制。
[0045]进一步地，步骤S30中，一旦出现ω＜0，则强制令ω＝0。
[0046]进一步地，所述水下航行器采用鱼雷构型，其采用单螺旋桨推进，未安装鳍舵、重心调节装置和浮力调节装置。
[0047]根据另一方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
[0048]上述技术方案通过在下潜之前进行重浮心位置配置，进而使得航行器在水下时的推力在深度方向具有分量，无需安装额外的浮力调节、重心调节和鳍舵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器定深控制方法，其特征在于，所述方法包括：S10、在下潜之前进行重浮心位置配置，包括：S11、根据期望下潜速度以及许用推力确定下潜角度；S12、根据所述下潜角度确定航行器在水中静止时的俯仰角；S13、基于所述俯仰角配置航行器重浮心位置；S20、在步骤S10基础上，实时获取航行器在水下时的定深控制量；S30、基于所述定深控制量对航行器深度进行控制。2.根据权利要求1所述的一种水下航行器定深控制方法，其特征在于，所述根据期望下潜速度以及许用推力确定下潜角度，包括：1)、根据期望下潜速度解算下潜角度；2)、根据许用推力和航行器初始重浮力配置对步骤1)得到的下潜角度进行校核，若校核成功，则转至步骤3)；否则转至步骤4)；3)、对应步骤1)得到的下潜角度满足要求，则转至步骤S12；若校核不成功，4)、对应步骤1)得到的下潜角度不满足要求，则调整推力或浮力以使校核结果成功，若无法对推力或浮力进行调整，则转至步骤1)，对期望下潜速度进行调整，并在此基础上重新计算下潜角度。3.根据权利要求2所述的一种水下航行器定深控制方法，其特征在于，通过下式根据期望下潜速度解算下潜角度：其中，V
H
为期望下潜速度；V
cruise
为巡航速度；θ
H
为期望下潜角度，航行器具有下潜速度时，下潜角度为负。4.根据权利要求3所述的一种水下航行器定深控制方法，其特征在于，步骤2)中，若下潜角度满足
‑
T
推
sinθ
H
＞k(B
‑
G)，则判定校核成功；其中，k为补偿系数；T
推
为许用推力；G和B分别为水下航行器所受重力和浮力。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的一种水下航行器定深控制方法，其特征在于，通过下式根据所述下潜角度确定航行器在水中静止时的俯仰角：其中，θ0为航行器在水中静止时的俯仰角；j为补偿系数；l
TG
为推进器推力产生的相对于重心的推力矩的力臂；l
BG
为航行器浮力产生的相对于重心的浮力矩的力臂，且6.根据权利要求5所述的一种水下航行器定深控制方法，其特征在于，通过下式基于所述俯仰角配置航行器重浮心位置：x
B
‑
x
G

【专利技术属性】
技术研发人员：魏旭飞，魏先利，
申请(专利权)人：北京机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：