【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下航行器控制领域，更具体地，涉及一种带cmgs水下航行器的控制方法及系统。
技术介绍
1、目前水下航行体(unmanned underwater vehicle，uuv)通常使用“螺旋桨+舵”的执行机构以实现运动和姿态控制，虽然其结构简单、技术成熟，但由于水下航行体在深海领域的应用越来越趋于专业化和多样化，该执行机构的不足与弊端也逐渐暴露出来，主要表现为以下几点：其一，舵叶装在航行体尾端，在与海水直接接触中易受腐蚀，而且舵杆和壳体间的密封尚未得到有效解决；其二，由于控制力矩的形成主要依靠舵叶和流体相对运动的作用，而在水体复杂的特性作用下，输出扭矩波动范围大,较难实现高精度的姿态机动控制要求；其三，该机构所提供的力矩对相对速度有要求，当航行体与水体无相对速度时，舵效丧失，任意方向的姿态角机动将无法实现。
2、为提高水下航行体的姿态机动控制性能，一种全内置式的新型水下航行体姿态控制执行机构——控制力矩陀螺(control moment gyros,cmgs)被提出，期望不和外界流场接触，即将cmgs安装于航行体内部，就能产生水下航行体姿态机动所需的力矩。与传统舵桨形成的外置式机构不同，控制力矩旋转陀螺(cmgs)作为内置式执行机构，不要求与流体具有相对速度，通过框架低速旋转就能调整转子动量的方向，进而形成作用力矩，且拥有出色的力矩输出放大能力。而且合理的设计cmgs构型还能供给三个方向上的动力，允许进行任何姿态角的机动。同时cmgs执行机构也使得水下航行器在静止状态时具备姿态控制能力，并且其不受外界流场影
3、然而，目前将cmgs作为水下航行体姿态控制执行机构的研究和应用还相对较少，且存在以下问题：对于陀螺框架转速的控制为开环控制，对于陀螺框架的角度测量和反馈未给出具体可行的方案；此外，需要多个控制器协同才能实现整机控制，电路方案庞杂，不满足uuv对内部空间大小的限制。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种带cmgs水下航行器的控制方法及系统，其目的在于，实现对cmgs陀螺转子和框架转速的全闭环控制，准确控制cmgs输出所需力矩，确保基于cmgs的uuv姿态机动和运动控制。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提出了一种带cmgs水下航行器的控制方法，包括如下步骤：
3、采集水下航行器当前位姿，根据水下航行器当前位姿与目标位姿的偏差，确定水下推进器目标转速以及陀螺框架目标转速，并据此控制水下推进器电机和陀螺框架电机工作；
4、通过绝对式编码器与陀螺框架电机自带的测速结构分别采集陀螺框架转速，以两者平均值作为陀螺框架实时转速；通过陀螺转子电机自带的测速结构采集陀螺转子实时转速；
5、根据陀螺框架实时转速与目标转速的误差，对陀螺框架电机转速进行闭环控制；根据陀螺转子实时转速与预设目标转速的误差，对陀螺转子电机转速进行闭环控制。
6、作为进一步优选的，确定陀螺框架电机目标转速，具体包括：
7、根据水下航行器当前位姿与目标位姿的偏差，解算出cmgs所需的控制力矩；通过绝对式编码器获取当前的陀螺框架角度，进而基于该陀螺框架角度，将控制力矩转化为陀螺框架目标转速。
8、作为进一步优选的，对陀螺框架/转子电机自带的测速结构采集的陀螺框架/转子转速进行三级滤波。
9、作为进一步优选的，采集的水下航行器当前位姿包括水下航行器的三轴姿态角、角速度、角加速度以及下潜深度。
10、按照本专利技术的另一方面，提供了一种带cmgs水下航行器控制系统，包括位姿采集模块、水下推进器、cmgs驱动装置、绝对式编码器和主控制器，其中：
11、所述位姿采集模块用于采集水下航行器当前位姿；
12、所述水下推进器用于为水下航行器的运动提供主驱动力；
13、所述cmgs驱动装置用于为水下航行器的转向和姿态机动提供驱动力，其包括陀螺转子电机和陀螺框架电机；
14、所述绝对式编码器用于采集陀螺框架转速，取其与陀螺框架电机自带的测速结构测得转速的平均值作为陀螺框架实时转速；
15、所述主控制器用于根据水下航行器当前位姿与目标位姿，确定水下推进器电机目标转速以及陀螺框架目标转速；并根据陀螺框架实时转速与目标转速的误差，对陀螺框架电机转速进行闭环控制；同时，根据陀螺转子电机自带测速结构测得的陀螺转子实时转速与预设目标转速的误差，对陀螺转子电机转速进行闭环控制。
16、作为进一步优选的，所述陀螺转子电机采用无刷直流电机，其自带霍尔式传感器作为测速结构；所述陀螺框架电机采用蜗轮蜗杆减速电机，其自带增量式编码器作为测速结构。
17、作为进一步优选的，还包括三级滤波器，通过该三级滤波器对增量式编码器、霍尔传感器采集的转速进行三级滤波；其中，第一级滤波器用于滤除尖峰脉冲干扰信号，第二级滤波器用于使转速输出更加平滑、稳定，第三级滤波器采用切比雪夫低通滤波器。
18、作为进一步优选的，所述绝对式编码器与陀螺框架电机平行安装，且绝对式编码器与陀螺框架电机之间通过齿轮传动连接。
19、作为进一步优选的，所述陀螺转子电机和陀螺框架电机分别通过相应的电机驱动器驱动，且电机驱动器与主控制器间设置有光电隔离电路。
20、作为进一步优选的，所述位姿采集模块包括惯性导航单元和压力传感器，所述惯性导航单元用于测量水下航行器的三轴姿态角、角速度、角加速度，所述压力传感器用于测量水下航行器的下潜深度。
21、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
22、1.本专利技术通过绝对式编码器和增量式编码器共同实现陀螺框架转速的准确实时获取，进而实现对cmgs陀螺框架和转子转速的全闭环控制，能够准确控制cmgs输出所需力矩，以确保水下航行器高效安全地进行水下作业，这对于其发展成为水下工作平台，并应用于海洋资源研究和开发有重要意义。
23、2.本专利技术仅通过单个小型主控制器实现对uuv的姿态机动和运动控制，整个控制系统具有电路简单、体积较小的特点，满足uuv对内部空间大小的限制。
24、3.本专利技术对于陀螺框架角度测量提出了具体可行的方案，并进一步设计了绝对式编码器的安装方式，可在不增大安装空间的情况下避免物理干涉，保证了测量的准确性和一致性。
25、4.本专利技术陀螺转子电机采用无刷直流电机，为转子提供所需的高转速；陀螺框架驱动电机采用蜗轮蜗杆减速电机，以满足大扭矩、低转速的控制要求。
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1.一种带CMGs水下航行器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的带CMGs水下航行器的控制方法，其特征在于，确定陀螺框架电机目标转速，具体包括：
3.如权利要求1所述的带CMGs水下航行器的控制方法，其特征在于，对陀螺框架/转子电机自带的测速结构采集的陀螺框架/转子转速进行三级滤波。
4.如权利要求1-3任一项所述的带CMGs水下航行器的控制方法，其特征在于，采集的水下航行器当前位姿包括水下航行器的三轴姿态角、角速度、角加速度以及下潜深度。
5.一种带CMGs水下航行器控制系统，其特征在于，包括位姿采集模块、水下推进器、CMGs驱动装置、绝对式编码器和主控制器，其中：
6.如权利要求5所述的带CMGs水下航行器控制系统，其特征在于，所述陀螺转子电机采用无刷直流电机，其自带霍尔式传感器作为测速结构；所述陀螺框架电机采用蜗轮蜗杆减速电机，其自带增量式编码器作为测速结构。
7.如权利要求6所述的带CMGs水下航行器控制系统，其特征在于，还包括三级滤波器，通过该三级滤波器对增量式编码器、霍尔
8.如权利要求5所述的带CMGs水下航行器控制系统，其特征在于，所述绝对式编码器与陀螺框架电机平行安装，且绝对式编码器与陀螺框架电机之间通过齿轮传动连接。
9.如权利要求5所述的带CMGs水下航行器控制系统，其特征在于，所述陀螺转子电机和陀螺框架电机分别通过相应的电机驱动器驱动，且电机驱动器与主控制器间设置有光电隔离电路。
10.如权利要求5-9任一项所述的带CMGs水下航行器控制系统，其特征在于，所述位姿采集模块包括惯性导航单元和压力传感器，所述惯性导航单元用于测量水下航行器的三轴姿态角、角速度、角加速度，所述压力传感器用于测量水下航行器的下潜深度。
...【技术特征摘要】
1.一种带cmgs水下航行器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的带cmgs水下航行器的控制方法，其特征在于，确定陀螺框架电机目标转速，具体包括：
3.如权利要求1所述的带cmgs水下航行器的控制方法，其特征在于，对陀螺框架/转子电机自带的测速结构采集的陀螺框架/转子转速进行三级滤波。
4.如权利要求1-3任一项所述的带cmgs水下航行器的控制方法，其特征在于，采集的水下航行器当前位姿包括水下航行器的三轴姿态角、角速度、角加速度以及下潜深度。
5.一种带cmgs水下航行器控制系统，其特征在于，包括位姿采集模块、水下推进器、cmgs驱动装置、绝对式编码器和主控制器，其中：
6.如权利要求5所述的带cmgs水下航行器控制系统，其特征在于，所述陀螺转子电机采用无刷直流电机，其自带霍尔式传感器作为测速结构；所述陀螺框架电机采用蜗轮蜗杆减速电机，其自带增量式编码器作为测速结构。
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