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一种下巡航器以及控制方法

申请号 CN202410131010.2 申请日 2024-01-31 公开(公告)号 CN117657402B 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心; 发明人 陈云赛; 林路; 刘增凯; 刘子然; 张栋; 姜清华; 孙尧; 李志彤; 邢会明; 王璐琦; 李明宇; 徐洪坤;
摘要 本 发明 公开一种 水 下巡航器以及控制方法,属于水下舰艇领域,包括巡航器本体、可折叠展开机构、 姿态 推进器 组、动 力 推进器、整流罩以及控 制模 块 ,整流罩套设在巡航器本体外部,可折叠展开机构和 控制模块 设置在整流罩内部,可折叠展开机构包括四个 舵 机、舵机套、舵盘和连接臂,每个连接臂上设置有一个姿态推进器,连接臂能够带动姿态推进器伸出整流罩外,动力推进器设置在巡航器尾部。本发明通过改变舵机 角 度控制连接臂实现展开折叠变换,并与连接臂上的姿态推进器相配合,实现多种工作模式的组合与切换,同时采用的控制方法可减少因推进器故障带来的影响,保证工作的正常进行,提高了对海洋的观测范围与观测维度。
权利要求

1.一种下巡航器的控制方法,其特征在于,采用一种水下巡航器,包括巡航器本体、可折叠展开机构、姿态推进器组、动推进器、整流罩以及控制模,所述整流罩套设在巡航器本体外部,所述姿态推进器组包括四个姿态推进器,所述可折叠展开机构和控制模块设置在整流罩内部,所述可折叠展开机构包括四个机、舵机套、舵盘和连接臂,舵机通过舵机套与巡航器本体相连接,连接臂通过舵盘与舵机相连接,每个连接臂上设置有一个姿态推进器,所述连接臂能够带动姿态推进器伸出整流罩外,所述动力推进器设置在巡航器本体尾部;
该控制方法包括以下步骤:
S1、对故障信号进行建模:
Ui=ui(1‑ρi);
其中,ui为第i个姿态推进器的期望控制输入,i=1、2、3、4;Ui为第i个姿态推进器的实际控制输入;ρi为第i个姿态推进器的有效因子,ρj∈[0,1];当ρi=0,表示第i个姿态推进器状态正常,当ρi=1,表示第i个姿态推进器发生故障;
S2、设计水下巡航器的六自由度运动模型;
其中,为巡航器在x轴方向的加速度;为巡航器在y轴方向的加速度;为巡航器在z轴方向的加速度;为巡航器绕x轴旋转的加速度; 为巡航器绕y轴旋转的角加速度;
为巡航器绕z轴旋转的角加速度;m为巡航器总质量;ψ为偏航角度;θ为俯仰角度;φ为横滚角度;K为巡航器在水下运动时的海水摩擦阻力系数;为巡航器在x轴方向的速度;为巡航器在y轴方向的速度;g为当地重力加速度;为巡航器在z轴方向的速度;Ixx、Iyy、Izz分别表示巡航器绕x轴、y轴、z轴的转动惯量;F1为总输入;F2为横滚输入;F3为俯仰输入;F4为偏航输入;p、q、r分别代表巡航器在x轴、y轴、z轴上的角速度;Jr为单个姿态推进器的转动惯量;Ω为姿态推进器带来的转速扰动, ωi代表第i姿态推进器的转
速;l为推进器中心与巡航器中心的距离;d1为巡航器升沉带来的水流扰动;dj为第j个姿态对应的水流扰动,j=1、2、3、4;
S3、设计水下巡航器的传递函数矩阵;
S4、求解传递函数;
S5、将PID控制器与传递函数结合,进行水下巡航器的实际控制;
S3中,根据水下巡航器的六自由度运动模型构建状态方程为:
其中,A为巡航器的系数矩阵;X为状态矢量, B为输入
T
矩阵;U=(u1,u2,u3,u4) 为输入数据, 为输出量,C为输出矩阵,D为传递矩阵;
将状态方程进行拉普拉斯变换,构建水下巡航器的传递函数矩阵G(s):
其中,Y(s)为Y的拉普拉斯变换形式,U(s)为U的拉普拉斯变换形式,s为拉普拉斯变换中的复变量,I为单位矩阵,S表示拉普拉斯变换。
2.根据权利要求1所述的一种水下巡航器的控制方法,其特征在于,所述控制模块与舵机、姿态推进器和动力推进器电控连接。
3.根据权利要求2所述的一种水下巡航器的控制方法,其特征在于,所述水下巡航器包括升降、横滚、俯仰、偏航四种姿态;
当水下巡航器处于水下节能航行模式时,控制模块控制舵机角度为0°,此时连接臂和四个推进器内置于整流罩内,整体外形为流线型,巡航器利用动力推进器进行推进,巡航器产生上升或下降姿态;
当水下巡航器处于水下高速航行模式时,控制模块控制舵机角度为90°,舵机通过舵盘带动连接臂伸出,连接臂与巡航器本体呈直角,姿态推进器与动力推进器同时转动,巡航器产生上升或下降姿态。
4.根据权利要求3所述的一种水下巡航器的控制方法,其特征在于,所述姿态推进器组包括第一姿态推进器、第二姿态推进器、第三姿态推进器和第四姿态推进器,分别位于水下巡航器本体侧壁的右上侧、左下侧、左上侧和右下侧;
通过同时调整第二、第三姿态推进器和第一、第四姿态推进器的推力来实现横滚姿态的调整,当第二和第三姿态推进器提供的推力大于第一和第四姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向右倾斜的姿态;当第二和第三姿态推进器提供的推力小于第一和第四姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向左倾斜的姿态;
通过同时调整第一、第三姿态推进器和第二、第四姿态推进器的推力来实现俯仰姿态的调整,当第二和第四姿态推进器提供的推力大于第一和第三姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向前倾斜的姿态;当第二和第四姿态推进器提供的推力小于第一和第三姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向后倾斜的姿态;
通过调整对角推进器的推力来实现偏航姿态的调整,当第一姿态推进器和第二姿态推进器提供的推力差值增大时,巡航器产生逆时针旋转的姿态,当第三姿态推进器和第四姿态推进器提供的推力差值增大时,巡航器产生顺时针旋转的姿态。

说明书全文

一种下巡航器以及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水下舰艇领域,具体涉及一种水下巡航器以及控制方法。

背景技术

[0002] 近年来随着海洋研究和开发的不断深入以及国防的需要作为海洋高科技的重要组成部分的水下巡航器对其智能水平提出了更高的要求。由于海洋深处工作环境的复杂性,不可预测性以及无人水下巡航器无人驾驶的特征,一旦出现故障,不仅巡航器无法完成水下作业任务,有时巡航器本身也无法回收,损失巨大。因此其可靠性控制技术研究与设计显得十分关键。故障诊断与容错控制技术的出现,为提高复杂系统的可靠性开辟了一条崭新的途径。容错控制作为一新兴的交叉学科,其学术意义就是要尽量保证动态系统在发生故障时仍然可以稳定运行,且具有可以接受的性能指标。对无人水下巡航人容错控制来说,主要是针对传感器故障和推进器故障实现其可靠性控制。虽然容错控制在许多领域得到了实际应用,但在无人水下巡航人容错控制方面,其研究成果还非常有限。
[0003] 目前,针对执行器故障的容错控制,有采用自适应模糊神经逼近器来估计故障,根据预测的故障情况设计相应的滑膜容错控制器的方法,或基于两级卡尔曼滤波器和增益调度控制合成的综合故障诊断和容错控制方法,还有学者设计了一种切换比例积分(proportional‑integral, PI)观测器的状态故障估计器, 并提出了一种非线性切换系统的容错控制器以达到对系统状态和故障同时渐近收敛的目的。此外,通过神经网络控制、鲁棒容错控制、引入Nussbaum函数等方法,也是容错控制研究的重点。
[0004] 对于水下巡航人来说,推进器故障是最常见也是影响最大的痛点问题,在浮游生物与水下海流、水下压的复杂作用下,推进器可能会出现失效情况,从而影响水下巡航人的姿态位置控制,造成巡航器无法追踪预定轨迹、完成指定任务甚至发生危险的情况,因此针对水下巡航器推进器故障的容错控制成为水下研发的重点任务。

发明内容

[0005] 针对上述海洋工作环境复杂与推进器故障频率高的问题,本发明提供一种水下巡航器以及控制方法,设计合理,解决了现有技术的不足,具有良好的效果。
[0006] 为了实现上述目的1,本发明采取如下技术方案:
[0007] 一种水下巡航器,包括巡航器本体、可折叠展开机构、姿态推进器组、动力推进器、整流罩以及控制模,所述整流罩套设在巡航器本体外部,所述姿态推进器组包括四个姿态推进器,所述可折叠展开机构和控制模块设置在整流罩内部,所述可折叠展开机构包括四个机、舵机套、舵盘和连接臂,舵机通过舵机套与巡航器本体相连接,连接臂通过舵盘与舵机相连接,每个连接臂上设置有一个姿态推进器,所述连接臂能够带动姿态推进器伸出整流罩外,所述动力推进器设置在巡航器本体尾部。
[0008] 进一步地,所述控制模块与舵机、姿态推进器和动力推进器电控连接。
[0009] 进一步地,所述水下巡航器包括升降、横滚俯仰偏航四种姿态;
[0010] 当水下巡航器处于水下节能航行模式时,控制模块控制舵机度为0°,此时连接臂和四个推进器内置于整流罩内,整体外形为流线型,巡航器利用动力推进器进行推进,巡航器产生上升或下降姿态;
[0011] 当水下巡航器处于水下高速航行模式时,控制模块控制舵机角度为90°,舵机通过舵盘带动连接臂伸出,连接臂与巡航器本体呈直角,姿态推进器与动力推进器同时转动,巡航器产生上升或下降姿态。
[0012] 进一步地,所述姿态推进器组包括第一姿态推进器、第二姿态推进器、第三姿态推进器和第四姿态推进器,分别位于水下巡航器本体侧壁的右上侧、左下侧、左上侧和右下侧;
[0013] 通过同时调整第二、第三姿态推进器和第一、第四姿态推进器的推力来实现横滚姿态的调整,当第二和第三姿态推进器提供的推力大于第一和第四姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向右倾斜的姿态;当第二和第三姿态推进器提供的推力小于第一和第四姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向左倾斜的姿态;
[0014] 通过同时调整第一、第三姿态推进器和第二、第四姿态推进器的推力来实现俯仰姿态的调整,当第二和第四姿态推进器提供的推力大于第一和第三姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向前倾斜的姿态;当第二和第四姿态推进器提供的推力小于第一和第三姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向后倾斜的姿态;
[0015] 通过调整对角推进器的推力来实现偏航姿态的调整,当第一姿态推进器和第二姿态推进器提供的推力差值增大时,巡航器产生逆时针旋转的姿态,当第三姿态推进器和第四姿态推进器提供的推力差值增大时,巡航器产生顺时针旋转的姿态。
[0016] 为了实现上述目的2,本发明采取如下技术方案:
[0017] 一种水下巡航器的控制方法,采用如上所述的一种水下巡航器,包括以下步骤:
[0018] S1、对故障信号进行建模:
[0019] ;
[0020] 其中, 为第 个姿态推进器的期望控制输入,=1、2、3、4; 为第 个姿态推进器的实际控制输入; 为第 个姿态推进器的有效因子, ;当 ,表示第 个姿态推进器状态正常,当 ,表示第 个姿态推进器发生故障;
[0021] S2、设计水下巡航器的六自由度运动模型;
[0022] ;
[0023] 其中, 为巡航器在x轴方向的加速度; 为巡航器在y轴方向的加速度;为巡航器在z轴方向的加速度; 为巡航器绕x轴旋转的角加速度; 为巡航器绕y轴旋转的角加速度; 为巡航器绕z轴旋转的角加速度;m为巡航器总质量; 为偏航角度; 为俯仰角度;为横滚角度;K为巡航器在水下运动时的海水摩擦阻力系数;为巡航器在x轴方向的速度;
为巡航器在y轴方向的速度; 为当地重力加速度;为巡航器在z轴方向的速度; 、、 分别表示巡航器绕x轴、y轴、z轴的转动惯量; 为总输入; 为横滚输入; 为俯仰输入; 为偏航输入; 、 、分别代表巡航器在x轴、y轴、z轴上的角速度; 为单个姿态推进器的转动惯量; 为姿态推进器带来的转速扰动, , 代表第i姿态
推进器的转速;为推进器中心与巡航器中心的距离; 为巡航器升沉带来的水流扰动;
为第 个姿态对应的水流扰动,=1、2、3、4;
[0024] S3、设计水下巡航器的传递函数矩阵;
[0025] S4、求解传递函数;
[0026] S5、将PID控制器与传递函数结合,进行水下巡航器的实际控制。
[0027] 进一步地,S3中,根据水下巡航器的六自由度运动模型构建状态方程为:
[0028] ;
[0029] 其中,A为巡航器的系数矩阵;X为状态矢量,  ;B为输入矩阵; 为输入数据, 为输出量,C为输出矩阵,D为传递
矩阵;
[0030] 将状态方程进行拉普拉斯变换,构建水下巡航器的传递函数矩阵 :
[0031] ;
[0032] 其中, 为Y的拉普拉斯变换形式, 为U的拉普拉斯变换形式,为拉普拉斯中的复变量,为单位矩阵, 表示拉普拉斯变换。
[0033] 本发明所带来的有益技术效果:
[0034] 本发明中水下巡航器通过改变舵机角度控制连接臂实现展开折叠变换,并与连接臂上的四轴推进器相配合,实现多种工作模式的组合与切换,同时所使用的容错控制器可减少因推进器故障带来的影响,保证工作的正常进行,提高了对海洋的观测范围与观测维度。附图说明
[0035] 图1为一种水下巡航器的结构示意图。
[0036] 其中,1‑巡航器本体;2‑姿态推进器组;21‑第一姿态推进器;22‑第二姿态推进器;23‑第三姿态推进器;24‑第四姿态推进器;3‑动力推进器;4‑整流罩;5‑舵机;6‑舵机套;7‑舵盘;8‑连接臂。
[0037] 图2为去掉整流罩的水下巡航器结构示意图。
[0038] 图3为水下巡航器的控制方法示意图;

具体实施方式

[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明:
[0040] 一种水下巡航器,如图1和2所示,包括巡航器本体1、可折叠展开机构、姿态推进器组2、动力推进器3、整流罩4以及控制模块,整流罩4套设在巡航器本体1外部,姿态推进器组2包括四个姿态推进器,可折叠展开机构和控制模块设置在整流罩4内部,可折叠展开机构包括四个舵机5、舵机套6、舵盘7和连接臂8,舵机5通过舵机套6与巡航器本体1相连接,连接臂8通过舵盘7与舵机5相连接,每个连接臂8上设置有一个姿态推进器;
[0041] 整流罩4上设有四个开口槽,连接臂8能够带动姿态推进器旋转,从而使姿态推进器通过开口槽伸出整流罩4外,动力推进器3设置在巡航器本体1尾部。
[0042] 控制模块与舵机5、姿态推进器和动力推进器3电控连接;
[0043] 所述水下巡航器包括升降、横滚、俯仰、偏航四种姿态;
[0044] 当水下巡航器处于水下节能航行模式时,控制模块控制舵机角度为0°,此时连接臂和四个推进器内置于整流罩内,整体外形为流线型,巡航器利用动力推进器进行推进,巡航器产生上升或下降姿态,完成前进任务;
[0045] 当水下巡航器处于水下高速航行模式时,控制模块控制舵机角度为90°,舵机通过舵盘带动连接臂伸出,连接臂与巡航器本体呈直角,姿态推进器与动力推进器同时转动,巡航器产生上升或下降姿态,加快推进任务。
[0046] 相邻的姿态推进器之间间隔90°,姿态推进器组包括第一姿态推进器21、第二姿态推进器22、第三姿态推进器23和第四姿态推进器24,分别位于水下巡航器本体侧壁的右上侧、左下侧、左上侧和右下侧;
[0047] 通过同时调整第二、第三姿态推进器和第一、第四姿态推进器的推力来实现横滚姿态的调整,当第二和第三姿态推进器提供的推力大于第一和第四姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向右倾斜的姿态;当第二和第三姿态推进器提供的推力小于第一和第四姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向左倾斜的姿态;
[0048] 通过同时调整第一、第三姿态推进器和第二、第四姿态推进器的推力来实现俯仰姿态的调整,当第二和第四姿态推进器提供的推力大于第一和第三姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向前倾斜的姿态;当第二和第四姿态推进器提供的推力小于第一和第三姿态推进器提供的推力时,巡航器产生向后倾斜的姿态;
[0049] 通过调整对角推进器的推力来实现偏航姿态的调整,当第一姿态推进器和第二姿态推进器提供的推力差值增大时,巡航器产生逆时针旋转的姿态,当第三姿态推进器和第四姿态推进器提供的推力差值增大时,巡航器产生顺时针旋转的姿态。
[0050] 一种水下巡航器的控制方法,采用如上所述的一种水下巡航器,包括以下步骤:
[0051] S1、对故障信号进行建模:
[0052] ;
[0053] 其中, 为第 个姿态推进器的期望控制输入,=1、2、3、4; 为第 个姿态推进器的实际控制输入; 为第 个推进器有效因子, ;当 ,表示第 个姿态推进器状态正常,当 ,表示第 个姿态推进器发生故障;
[0054] S2、设计水下巡航器的六自由度运动模型;
[0055] ;
[0056] 其中, 为巡航器在x轴方向的加速度; 为巡航器在y轴方向的加速度;为巡航器在z轴方向的加速度; 为巡航器绕x轴旋转的角加速度; 为巡航器绕y轴旋转的角加速度; 为巡航器绕z轴旋转的角加速度;m为巡航器总质量; 为偏航角度; 为俯仰角度;为横滚角度;K为巡航器在水下运动时的海水摩擦阻力系数;为巡航器在x轴方向的速度;
为巡航器在y轴方向的速度; 为当地重力加速度;为巡航器在z轴方向的速度; 、、 分别表示巡航器绕x轴、y轴、z轴的转动惯量; 为总输入; 为横滚输入; 为俯仰输入; 为偏航输入; 、 、分别代表巡航器在x轴、y轴、z轴上的角速度; 为单个姿态推进器的转动惯量; 为姿态推进器带来的转速扰动, , 代表第i姿态
推进器的转速;为推进器中心与巡航器中心的距离; 为巡航器升沉带来的水流扰动;
为第 个姿态对应的水流扰动,=1、2、3、4;
[0057] S3、设计水下巡航器的传递函数矩阵;
[0058] 根据水下巡航器的六自由度运动模型构建状态方程为:
[0059] ;
[0060] 其中,A为巡航器的系数矩阵;X为状态矢量,  ;B为输入矩阵; 为输入数据, 为输出量,C为输出矩阵,D为传递
矩阵;
[0061] 将状态方程进行拉普拉斯变换,构建水下巡航器的传递函数矩阵 :
[0062] ;
[0063] 其中, 为Y的拉普拉斯变换形式, 为U的拉普拉斯变换形式,为拉普拉斯中的复变量,为单位矩阵, 表示拉普拉斯变换。
[0064] S4、求解传递函数;
[0065] 根据构建传递函数方程,利用巡航器实验测得的数据进行各个通道的传递函数求解,得到下面矩阵:
[0066] ;
[0067] S5、将PID控制器与传递函数结合,如图3所示,进行水下巡航器的实际控制。
[0068] 以上为本实施例的完整实现过程。
[0069] 当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。