【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下无人航行器自动控制，具体涉及一种超高速欠驱动auv航行控制方法及装置。
技术介绍
1、超高速auv由于速度快，可以大大提高作业效率，特别实在军事领域可用于特定目标的快速跟踪及监视、快速隐蔽攻击后逃逸，越来越成为各国研究的中重点，一般水面舰船、潜艇速度达到20节以上，因此需要实现auv稳定可靠的到达20节航速。由于auv大多由主推进器和舵系统构成，其运动有6个自由度，驱动机构配置不足，是典型的欠驱动系统，其运动控制在垂直面、水平面存在强耦合，在航行速度较低时互相影响不大，但在高速航行特别时20节速度时必须考虑耦合效应，传统的解耦可以减少控制难度，但控制效果欠佳，因此需改进控制方法以提升控制效率和鲁棒性，同时，传统的单主推进器方式难以实现20节以上速度，需要提出新的合适推进方式。本专利技术旨在基于欠驱动auv基本配置上提供一种高速推进装置和控制方法，以实现auv超高速运行。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种超高速欠驱动auv航行控制方法，包括：
2、步骤1，建立auv高速航行的水平面运动方程和垂直面运动方程，将复杂的多自由度运动解耦；
3、步骤2，实时从auv的姿态传感器采集航向角ψs、航向角变化ωz、俯仰角度θs和速度信息vz，从auv的深度传感器采集深度信息zs；
4、步骤3，输入目标航向角ψt到航向控制器，根据所述auv的当前航向ψs以及水平面速度vxy计算航向偏差δr1；输入目标深度zt，根据所述auv当前深
5、步骤4，为抑制控制律发散，水平方向上利用所述auv当前航向角ψs与上一次采样值ψs-1进行差值计算第一水平纠偏参数；以垂直方向上利用所述auv的当前航深度zs与上一次深度采样值zs-1进行差值计算第一垂直纠偏参数；
6、步骤5，计算所述auv在水平方向的航向实时控制量，并换为第一角度控制指令δn，驱动垂直舵动作实现auv航向的实时稳定调整；计算所述auv在深度方向的深度控制量，转换为第二角度控制指令δnl、δnr，在垂直面深度调节基础上进行差动舵控制，驱动水平舵动作实现深度的实时调整。
7、特别地，所述步骤1包括：所述水平面的运动方程包括：
8、
9、其中，ξ、η、ζ分别为e-ξηζ坐标系下uuv纵向、横向、垂向位移；u、v、ψ、r为e-ξηζ坐标系下uuv纵向、横向速度、航向角、航向角速度；m为uuv质量，为uuv在ox轴上的加速度在ox轴上产生附加质量，为uuv在oy轴上的加速度在oy轴上产生的附加质量，为uuv在oz轴上的加速度在oz轴上产生的附加质量；xu、yv、nr分别为在艇体坐标系o-xyz uuv在前向速度u，横向速度下v，纵向速度r下的力矩；x为uuv在o-xyz坐标系下的纵向受力，n为uuv在o-xyz坐标系下的垂向力矩；iz为uuv在o-xyz坐标系下的沿oz轴的转动惯量；
10、所述竖直面的运动方程包括：
11、
12、其中，ξ、η、ζ分别为e-ξηζ坐标系下uuv纵向、横向、垂向位移；u、w、θ、q、为e-ξηζ坐标系下uuv纵向、垂向速度、纵倾角、纵倾角速度、纵倾角加速度；m为uuv质量，为uuv在ox轴上的流体附加质量，为uuv在oz轴上的流体附加质量，为uuv纵倾角上产生的流体附加质量；xu、yv、nr分别为在艇体坐标系o-xyzuuv在前向速度u、横向速度下v、纵向速度r下的力矩；x为uuv在o-xyz坐标系下的纵向受力、z为uuv在o-xyz坐标系下的垂向受力，m为uuv在o-xyz坐标系下的横向力矩；iy为uuv在o-xyz坐标系下的沿oy轴的转动惯量；w为uuv重力，b为uuv浮力，m为uuv在o-xyz坐标系下的横向向力矩。
13、特别地，所述步骤3包括：在水平面航向调整过程中，由于水平面航向调整与水平面速度相关，引入航向偏差δr1
14、δr1＝kpvxy*(ψs-ψt)；
15、其中kp为调节系数；
16、为实现控制的稳定性，将深度调节与速度关联同时，所述深度实时误差
17、
18、其中为深度调节参数，v为auv当前速度。
19、特别地，所述步骤4中，所述第一水平纠偏参数和第一垂直纠偏参数根据航速进行自适应更新；所述第一水平纠偏参数为所述auv在水平方向上实现航向偏差进行补偿；所述第一垂直纠偏参数在垂直方向上实现对深度偏差进行补偿；并为保持航向控制的稳定，分别计算固有航向偏差δδ和固有垂直面运动偏差δh；所述第一水平纠偏参数利用所述auv当前航向角ψs与上一次采样值ψs-1进行差值，在水平方向上实现航向偏差进行补偿，其包括δr2，
20、δr2＝kd*vxy*(ψs-ψs-1)；kd为调节系数；
21、所述第一垂直纠偏参数，在垂直方向上实现对深度偏差进行补偿，其包括δh2，具体利用auv当前航深度zs与上一次深度采样值zs-1进行差值计算，以在深度控制中以抑制控制律发散得到
22、δh2＝kp2*v*(zs-zs-1)
23、其中，kp2为收敛速度系数。
24、特别地，所述步骤4中还包括为保持航向控制的稳定，分别计算固有航向偏差δδ和固有垂直面运动偏差δh
25、
26、vauv为auv实时航行速度，v1、v2、v3分别为auv速度区间阈值，根据不同auv及最大速度选择分段阈值，提高控制鲁棒性及效率同时减少工程实现难度；kpδ1、kpδ2、kpδ3为速度匹配调节系数
27、所述固有垂直面运动偏差δh在垂直面深沉运动方向引入固有偏差δh对深度进行补偿，
28、δh＝kh
29、其中，k为调节系数，根据速度需求分段取值，提高自适应能力，h为航行器静止条件下的深度误差。
30、特别地，所述步骤4中还包括为防止控制律不收敛，导致auv纵倾角过大，引入与纵倾角相关的内环控制系数，进一步调节深度控制量；
31、δh3＝kd*v*ω
32、其中，kd为收敛系数。
33、特别地，所述步骤5包括：求解航向实时控制量，并换为第一角度控制指令δn，驱动垂直舵动作实现auv航向的实时稳定调整；
34、δn＝kps·(δr1+δr2+δδ)
35、其中，kps为垂直舵角转换参数；
36、所述第二角度控制指令δnl、δnr，在垂直面深度调节基础上进行差动舵控制，驱动水平舵动作实现深度的实时调整，具体包括：
37、
38、
39、其中，为水平舵角转换参数。
40、本专利技术还提出了一种欠驱动auv高速航行控制装置，所述欠驱动auv高速航行控制装置包括超高速推进装置、高效喷水推进装置、高效进水道和快速响应舵；所述高速推进装置布置于auv艉部，出水通道与推进装置匹配性设计并进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于：所述步骤1包括：所述水平面的运动方程包括：
3.如权利要求1所述的超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于：所述步骤3包括：在水平面航向调整过程中，由于水平面航向调整与水平面速度相关，引入航向偏差δr1
4.如权利要求1所述的超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于：所述步骤4中，所述第一水平纠偏参数和第一垂直纠偏参数根据航速进行自适应更新；所述第一水平纠偏参数为所述AUV在水平方向上实现航向偏差进行补偿；所述第一垂直纠偏参数在垂直方向上实现对深度偏差进行补偿；并为保持航向控制的稳定，分别计算固有航向偏差Δδ和固有垂直面运动偏差Δh；
5.如权利要求4所述的超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于：所述步骤4中还包括为保持航向控制的稳定，分别计算固有航向偏差Δδ和固有垂直面运动偏差Δh
6.如权利要求5所述的超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于：所述步骤4中还包括为防止控制律不收敛，导
7.如权利要求6所述的超高速欠驱动AUV航行控制方法，其特征在于：所述步骤5包括：求解航向实时控制量，并换为第一角度控制指令δn，驱动垂直舵动作实现AUV航向的实时稳定调整；
8.一种欠驱动AUV高速航行控制装置，其特征在于，所述欠驱动AUV高速航行控制装置包括超高速推进装置、高效喷水推进装置、高效进水道和快速响应舵；所述高速推进装置布置于AUV艉部，出水通道与推进装置匹配性设计并进行边缘整流；所述高效进水道对称布置于喷水推机器前方左右两侧，进水通道的道距离、通道大小、外形与超高速航行水动力效率匹配；所述快速响应舵水平、垂直分别对称布置，水平舵置于进水道与推进装置中间，垂直舵布置于进水道稍前。
9.如权利要求8所述的欠驱动AUV高速航行控制装置，其特征在于：所述内部推进器为小倾角高速7叶桨。
...【技术特征摘要】
1.一种超高速欠驱动auv航行控制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的超高速欠驱动auv航行控制方法，其特征在于：所述步骤1包括：所述水平面的运动方程包括：
3.如权利要求1所述的超高速欠驱动auv航行控制方法，其特征在于：所述步骤3包括：在水平面航向调整过程中，由于水平面航向调整与水平面速度相关，引入航向偏差δr1
4.如权利要求1所述的超高速欠驱动auv航行控制方法，其特征在于：所述步骤4中，所述第一水平纠偏参数和第一垂直纠偏参数根据航速进行自适应更新；所述第一水平纠偏参数为所述auv在水平方向上实现航向偏差进行补偿；所述第一垂直纠偏参数在垂直方向上实现对深度偏差进行补偿；并为保持航向控制的稳定，分别计算固有航向偏差δδ和固有垂直面运动偏差δh；
5.如权利要求4所述的超高速欠驱动auv航行控制方法，其特征在于：所述步骤4中还包括为保持航向控制的稳定，分别计算固有航向偏差δδ和固有垂直面运动偏差δh
6.如权利要求5...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡测，崔峰，万宇祥，熊华乔，吴爽，
申请(专利权)人：宜昌测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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