本发明专利技术公开了基于水下机器人(AUV)设计的小矢量控制尾部推进器设计装置及控制方法，设有密封机构、推进器传动机构、回转舵机固定机构和控制器。本装置通过两个舵机控制推进器的朝向来控制AUV的运动方向，一定程度上替代舵的转向功能，可以根据实际偏航情况改变舵的偏转角度来矢量控制AUV的移动方向。本发明专利技术涉及一种滑模变结构的控制方法，对AUV的航行进行速度控制和深度控制，减少参数整定过程带来的问题与难度，控制效果更快速稳定。控制效果更快速稳定。控制效果更快速稳定。
【技术实现步骤摘要】
基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法
[0001]本专利技术涉及海洋与水文调查设备领域，具体涉及一种方向微调装置及其控制方法。
技术介绍
[0002]水下自航行器(AUV)，又称自治水下机器人，它以电池为动力，带有推进装置，一般没有机械手。由于受电池容量与自身重量的限制，水下自航行器需要在限定的时间内高效的完成任务，这时水下航行器的运动轨迹显得尤为关键。为确保其具有精确的运动轨迹，水下自航行器不仅需要一个强大的推进装置，更需要具备灵活的方向微调的能力。
[0003]目前市场上常用的方向调节装置设计有以下几种方案：1)将推进器固定在AUV的尾部正中心，通过尾部舵机控制舵片来控制AUV的方向，这种方案是应用范围最广的一种，但通过舵机传动控制舵片需要通过一系列的控制设计，且舵机转动后AUV偏向较大，不适合微调AUV的运行方向。2)采用安装垂直推进器和侧面推进器的方案，两个推进器协调运动比较复杂，同时消耗能源较高3)在尾部舱体内设计一个转动机构，使推进器进行小幅的转动的方案，由于尾部舱体大小的限制，小幅转动微调能力有限，推进器与尾舱间的密封有一定的难度。
[0004]在AUV航行的控制方法上，国内大多采取PID控制和模糊控制的控制方法。这两个方法的基础都是PID控制，其中积分控制环节同时也普遍不具备智能判断，对于其中的参数整定步骤是决定控制效果的关键，并且在不同的航行环境和航行速度下，适用的控制参数也会有细微的不同。对于希望得到一组适用性良好的控制参数，需要进行大量的试验和收集大量的实验数据，同时也要消耗大量的人力物力财力和时间。
[0005]针对上述问题，本专利技术提出一种基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法，该装置使用一个推进器即可实现AUV的小幅转动，将推进器置于尾舱外，通过两个舵机调节推进器的方向，以便调节水下自航行器的水平面和垂直面的运动方向，实现水下自航行器的运动方向的可控性，提高水下自航行器的机动性。在控制方法上采用滑模变结构控制的方法，减少了大量参数整定的问题，极大地提升AUV航行过程的控制时间与效果，同时进行航行速度和深度的双重控制，控制的范围也大大拓宽。
技术实现思路
[0006]本专利技术提出一种基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法，将一个推进器置于尾舱外固定，通过两个舵机调节推进器的方向，实现水下自航行器的运动方向的微调控制，提高水下自航行器的机动性，并且采用滑模变结构控制AUV航行的速度与深度。
[0007]本专利技术采用以下的技术方案实现的：本装置包含一个推进器，回转舵机，翻转舵机，密封轴和控制器，设有密封机构、推进器传动机构和回转舵机固定机构，可以根据实际情况通过改变舵的偏转角度来矢量控制AUV的移动方向，使其回到预定轨道。
[0008]所述的回转舵机固定在尾舱上，且可以带着推进器实现180
°
自由回转；
[0009]所述的翻转舵机可以带着推进器实现180
°
翻转，通过两个舵机协调控制，可以矢量的调节推进器产生的推力，达到控制AUV前进方向的效果；
[0010]所述的密封结构分为旋转动密封和静密封；
[0011]所述的密封轴上设计有两个旋转动密封槽，既能使轴的扭矩传递给翻转舵机，又能阻止在传递扭矩过程中海水进入后舱。
[0012]进一步的，当AUV向右偏转时，可以控制回转舵机向左回转90
°
，再控制翻转舵机往左翻转45
°
(具体翻转多少可以视实际情况变化)即可使AUV回到预定轨道。
[0013]进一步的，通过控制翻转舵机和回转舵机的转动角度可以实现矢量调节AUV的运动方向。
[0014]所述的控制器先通过滑模变结构控制速度，再缩小误差达到深度控制的目的。
[0015]所述的速度控制方法为：
[0016]1)设计速度积分滑模面：
[0017][0018]2)计算推进器的推力：
[0019]X
T
＝(1
‑
t)ρn2D4K
T
[0020]3)设计推力输入指数滑模控制律为
[0021]τ
u
＝
‑
m
22
wq
‑
(X
u
+X
u|u
|u|)u+m
11
(cu
e
+k1s
u
+ε1sgn(s
u
))
[0022]其中t表示推力减额系数，n表示螺旋桨的转速，D表示螺旋桨的直径，K
T
表示无因次推力系数，是进速比J的函数。
[0023]所述的深度控制方法为：
[0024]1.定义误差方程：
[0025][0026]2.设计纵倾角控制量θ
d
：
[0027]θ
d
＝c1z
e
[0028]3.设计期望纵倾角速度：
[0029][0030]4.为了镇定纵倾角速度误差q
e
，设计滑模面：
[0031][0032]5.对滑模面s求导，可得：
[0033][0034]6.设计滑模控制律：
[0035][0036]其中c1，c2均大于0为之后选取的控制器参数，z
d
和z
e
为期望深度与深度误差，θ
d
和θ
e
为期望纵倾角和纵倾角误差，q
e
和q
d
为期望纵倾角速度和纵倾角速度误差。
[0037]本专利技术的有益效果是：
[0038]1、该装置实现了AUV运动方向的微调性，提高AUV的机动性。
[0039]2、该装置一定程度上可替代舵片的功能，通过滑模变结构控制速度，再缩小误差达到深度控制的目的。
[0040]3、该装置适用于多种型号的AUV，只需选择合适转矩的舵机，再通过改变固定机构中各零件的大小即可。
[0041]4、该装置结构紧凑，并且占用面积小，两个舵机一定程度上可以替代舵片的功能，具有更大的经济性。
附图说明
[0042]图1是小矢量尾部推进器装置图；
[0043]图2是小矢量尾部推进器装置的尾部爆炸图；
[0044]图3是小矢量尾部推进器装置的尾部整体图；
[0045]图4是小矢量尾部推进器装置的传动图。
[0046]图5是小矢量尾部推进器装置的控制流程图
[0047]图6是小矢量尾部推进器装置的速度控制和纵倾角速度控制的仿真图
[0048]图7是小矢量尾部推进器装置的深度控制的仿真图
[0049]图中：1后舱2尾舱3回转舵机4舵机固定件5盖板6舵机连接件7键8穿线螺栓9密封轴10深勾球轴承Ⅰ11端盖12泄气阀13转盘14翻转舵机固定块15翻转舵机16推进器连接块17推进器18深勾球轴承Ⅱ19穿线螺栓Ⅰ20穿线螺栓Ⅱ具体实施方式本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：设有密封机构、推进器传动机构、回转舵机固定机构和控制器，分别由密封轴(9)，推进器(17)，回转舵机(3)和翻转舵机(15)作为机构核心，根据实际情况通过改变舵机的偏转角度来矢量控制AUV的移动方向，使其回到预定轨道；所述的回转舵机(3)固定在尾舱(2)上，且可以带着翻转舵机(15)实现180
°
自由回转；所述的翻转舵机(15)可以带着推进器(17)实现180
°
翻转，通过翻转舵机(15)和回转舵机(3)的协调控制，矢量的调节推进器(17)产生的推力，达到控制AUV前进方向的效果；所述的密封结构机构分为旋转动密封和静密封；所述的控制器的控制目标分别是：目标一是控制AUV的实际速度跟踪期望速度最终实现速度的误差收敛到0渐进稳定；目标二是控制AUV的实际深度跟踪期望深度最终实现深度的误差收敛到0渐进稳定。2.根据权利要求1所述的基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的密封轴(9)由传动轴改良而成，以密封手册上的AS568尺寸系统为标准在轴上切出两个合适尺寸的旋转动密封槽。3.根据权利要求1所述的基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的静密封由穿线螺栓Ⅰ(19)、穿线螺栓Ⅱ(20)和泄气阀(12)和O形密封组成。4.根据权利要求1所述的基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的控制器的速度控制，所述方法如下：步骤4
‑
1，AUV尾部推进器的推力，可按下式确定：X
T
＝(1
‑
t)ρn2D4K
T
其中t表示推力减额系数，n表示螺旋桨的转速，D表示螺旋桨的直径，K
T
表示无因次推力系数，是进速比J的函数。步骤4
‑
2，定义速度的误差方程：u
e
＝u
‑
u
d
其中，u
d
为期望速度；u
...
【专利技术属性】
技术研发人员：王杨帆，严天宏，姚金涛，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
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