【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下航行器运动控制，尤其涉及一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法。
技术介绍
1、水下航行器作为探索海洋的有力工具如今越来越受到人们的重视，现如今已逐渐成为智能航行器领域的重要分支，在水文测量、油气勘测、光缆巡检、隐蔽侦察等军民领域发挥着重要的作用。水下航行器的深度控制是其完成各项任务的重要基础，左右分离式舵水下航行器在正常航行时，通过操纵左侧尾水平舵和右侧尾水平舵进行航行器的深度控制，而当单舵卡发生后，相当于航行器运动模型和执行机构发生变化，采用常规控制器难以实现对航行器深度的控制。单舵卡后，单个尾水平舵面固定不动，此时执行机构只剩另一个尾水平舵，因此需要对航行器的控制器进行重新设计，以满足新的控制要求。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提供一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，本专利技术针对分离式舵航行器，通过常规控制器对正常航行状态下的航行器进行深度控制，通过舵卡检测算法对舵卡进行实时监测，当单水平舵舵卡发生后立即进行控制律重构，可通过剩余的另一个水平舵舵角对航行器深度进行有效控制，降低分离式舵航行器单舵卡时的失控风险，提高航行器的航行安全性。
2、本专利技术提供一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，包括：
3、s1：建立航行器的六自由度运动模型；
4、s2：通过对航行器六自由度运动模型进行线性化处理，获得第一航行器垂直面线性运动方程；
5、s3：基
6、s4：通过监测舵角、舵角指令与舵速之间的关系，设计舵卡检测算法；
7、s5：通过舵卡检测算法判断未发生舵卡时，采用双水平舵控制时的控制器控制；通过舵卡检测算法判断发生舵卡时，建立第二航行器垂直面线性运动方程；
8、s6：基于第二航行器垂直面线性运动方程，采用最优控制方法进行单水平舵控制时的控制器设计。
9、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括航行器六自由度运动模型为六自由度非线性模型，对航行器进退运动、横移运动、升沉运动、横摇运动、俯仰运动、转艏运动进行描述。
10、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述s1步骤中，航行器六自由度运动模型为：
11、
12、其中，为航行器质量，为航行器纵向速度，为横向速度，为垂向速度，为横倾角速度，为纵倾角速度，为转艏角速度，为重心在航行器坐标系下的纵向位置，为重心在航行器坐标系下的横向位置，为重心在航行器坐标系下的垂向位置，为航行器横向的力，为航行器纵向的力，为航行器垂向的力，为航行器沿横向旋转的力矩，为航行器沿纵向旋转的力矩，为航行器沿垂向旋转的力矩，为推进器横向的力，为推进器纵向的力，为推进器垂向的力，为推进器沿横向旋转的力矩，为推进器沿纵向旋转的力矩，为推进器沿垂向旋转的力矩，为舵横向的力，为舵纵向的力，为舵垂向的力，为舵沿横向旋转的力矩，为舵沿纵向旋转的力矩，为舵沿垂向旋转的力矩，为外界环境干扰横向的力，为外界环境干扰纵向的力，为外界环境干扰垂向的力，为外界环境干扰沿横向旋转的力矩，为外界环境干扰沿纵向旋转的力矩，为外界环境干扰沿垂向旋转的力矩，为横向的转动惯量，为纵向的转动惯量，为垂向的转动惯量，为的导数，为的导数，为的导数，为的导数，为的导数，为的导数。
13、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述s2步骤中，通过将六自由度运动方程按泰勒级数展开并选择航行器垂直面的运动状态，获得第一航行器垂直面线性运动方程，第一航行器垂直面线性运动方程为：
14、
15、其中，为垂向速度、为纵倾角速度、为纵倾角、为深度、为右侧尾水平舵角，为左侧尾水平舵角，为的导数，为的导数，为的导数，为的导数，为舵角系数，为航行器状态系数。
16、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述s3步骤中，采用二次型最优控制器进行双水平舵控制时的控制器设计，二次型最优控制器为：
17、
18、其中，为右侧尾水平舵指令、为左侧尾水平舵指令、为深度指令，为垂向速度，为纵倾角速度，为纵倾角，为深度，为垂向速度控制参数，为纵倾角速度控制参数，为纵倾角控制参数，为深度控制参数。
19、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括采用卡尔曼滤波器对航行器的垂向速度、纵倾角速度、纵倾角以及深度进行估计，估计方程式为：
20、
21、其中，为估计矩阵，，为的导数，为垂向速度的估计值，为纵倾角速度的估计值，为纵倾角的估计值，为深度的估计值，为右侧尾水平舵角，为左侧尾水平舵角，为纵倾角、为深度，为航行器状态系数矩阵，为舵角系数矩阵，
22、为观测器系数矩阵。
23、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述s4步骤中，舵卡检测算法为：
24、
25、其中，为舵角、为舵角指令、为舵速、为舵卡判定阈值。
26、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述第二航行器垂直面线性运动方程为左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程或者为右侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程。
27、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述s5步骤中，通过舵卡检测算法判断左侧水平舵舵卡时，建立左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程，左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程为：
28、
29、其中，为垂向速度，为纵倾角速度，为纵倾角，为深度，为右侧尾水平舵角，为的导数，为的导数，为的导数，为航行器单舵卡线性化状态系数，为的导数，为航行器单舵卡线性化舵垂向系数，为航行器单舵卡线性化舵纵向系数，为航行器单舵卡线性化舵纵倾系数，为航行器单舵卡线性化舵深度系数；
30、通过舵卡检测算法判断右侧水平舵舵卡时，建立右侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程，右侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程为：
31、
32、其中，为左侧尾水平舵角。
33、根据本专利技术提供的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，还包括所述s6步骤中，基于左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程，采用最优控制方法进行单水平舵控制时的控制器设计，左水平舵舵卡后单水平舵控制时的控制器为：
34、
35、其中，为右侧尾水平舵指令，为舵卡发生后的垂向速度控制参数，为舵卡发生后纵倾角速度控制参数，为舵卡发生后纵倾角控制参数，为舵卡发生后深度控制参数；
36、基于右侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程，采用最优控制方法进行单水平舵控制时的控制器设计，右水平舵舵卡后单水平舵控制时的控制器为：
37、...
【技术保护点】
1.一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，航行器六自由度运动模型为六自由度非线性模型，对航行器进退运动、横移运动、升沉运动、横摇运动、俯仰运动、转艏运动进行描述。
3.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述S1步骤中，航行器六自由度运动模型为：
4.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述S2步骤中，通过将六自由度运动方程按泰勒级数展开并选择航行器垂直面的运动状态，获得第一航行器垂直面线性运动方程，第一航行器垂直面线性运动方程为：
5.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述S3步骤中，采用二次型最优控制器进行双水平舵控制时的控制器设计，二次型最优控制器为：
6.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，采用卡尔曼滤波器对航行器的垂向速度、纵倾角速度、纵倾角以及深度进行估计，
7.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述S4步骤中，舵卡检测算法为：
8.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述第二航行器垂直面线性运动方程为左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程或者为右侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程。
9.根据权利要求8所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述S5步骤中，通过舵卡检测算法判断左侧水平舵舵卡时，建立左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程，左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程为：
10.根据权利要求9所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述S6步骤中，基于左侧水平舵舵卡后的垂直面线性运动方程，采用最优控制方法进行单水平舵控制时的控制器设计，左水平舵舵卡后单水平舵控制时的控制器为：
...【技术特征摘要】
1.一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，航行器六自由度运动模型为六自由度非线性模型，对航行器进退运动、横移运动、升沉运动、横摇运动、俯仰运动、转艏运动进行描述。
3.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述s1步骤中，航行器六自由度运动模型为：
4.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述s2步骤中，通过将六自由度运动方程按泰勒级数展开并选择航行器垂直面的运动状态，获得第一航行器垂直面线性运动方程，第一航行器垂直面线性运动方程为：
5.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制方法，其特征在于，所述s3步骤中，采用二次型最优控制器进行双水平舵控制时的控制器设计，二次型最优控制器为：
6.根据权利要求1所述的一种分离式舵水下航行器单舵卡应急控制...
【专利技术属性】
技术研发人员：廖益欣，赵光，李兵军，苏畅，罗洪甲，沈东，王星月，刘浩，黄礼靖，邹文雄，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：
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