CN107776859B - Auv大潜深运动浮力补偿控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种AUV大潜深运动浮力补偿控制方法。检测出AUV在深海区域进行定深航行时的深度；通过AUV剩余浮力辨识算法，辨识AUV在当前深海区域进行定深航行时受到的剩余浮力；辨识的结果为稳定时，通过油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿；否则继续对AUV在深海区域定深航行时受到的剩余浮力进行辨识；当AUV的浮力补偿值等于通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值时，则完成了对AUV的浮力补偿；否则，继续通对AUV进行浮力补偿。本发明可有效的均衡剩余浮力的影响并消除AUV的纵倾角偏差，提高AUV的操纵性及控制精度，减小AUV定深航行时所受的阻力，在携带同等能源条件下增加AUV的航行时间。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水下自主航行器的控制方法，具体地说是一种AUV进行大潜运动时的浮力补偿控制方法。
背景技术
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle简称AUV)是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了深潜器、传感器、环境效应、计算机软件、能量储存、转换与推进、新材料与新工艺以及水下智能等高科技，其应用前景非常广泛。海洋中深海区域占总海域面积的89％，为了对的海洋进一步了解、进行海洋开发，此时需要借助AUV搭载的高精度水声设备对深海区域进行探索。然而，当AUV进行大深度下潜到深海区域时，由于深度的变化，海水的密度、压强、盐度、温度都会发生改变，这些因素都会使AUV受到的浮力产生一个未知的变化，最终造成重力与浮力不平衡。
由于受到剩余浮力的影响，AUV在深海区域进行下潜时会产生一定的纵倾角，也会造成AUV的航行深度与指令深度有一定的误差，这些影响对于对控制精度有严格要求的水声设备很不利。同时剩余浮力的影响也会增加AUV定深航行的阻力、增加能耗、减少AUV航行时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高AUV在深海区域定深航行的精度及操纵性，提高搭载的高精度水声设备的测量精度的AUV大潜深运动浮力补偿控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
通过AUV搭载的深度传感器检测出AUV在深海区域进行定深航行时的深度；
当AUV在深海区域的航行深度稳定时，通过AUV剩余浮力辨识算法，辨识AUV在当前深海区域进行定深航行时受到的剩余浮力；
当通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的结果为稳定时，再通过油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿；否则，通过AUV剩余浮力辨识算法继续对AUV在深海区域定深航行时受到的剩余浮力进行辨识；
当AUV的浮力补偿值等于通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值时，则完成了对AUV的浮力补偿；否则，继续通过AUV油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿。
本发明还可以包括：
1、所述AUV剩余浮力辨识算法采用无迹卡尔曼滤波算法，以AUV的垂向速度w、纵倾角θ、纵倾角速度q和待辨识的浮力Θ＝B作为AUV剩余浮力辨识模型的状态变量，以AUV的艉水平舵舵角δs作为所述AUV剩余浮力辨识模型的输入。
2、所述油囊式浮力均衡***由两个分别位于AUV的艏部和艉部的单向式浮力均衡装置组成，两个单向式浮力均衡装置均为液压控制***，包括耐压油箱、油囊和阀门，AUV艏部的单向式浮力均衡装置中油囊的浮心与AUV重心的距离为L1；AUV艉部的单向式浮力均衡装置中油囊的浮心与AUV重心的距离为L2；当通过AUV的剩余浮力辨识算法辨识出AUV在深海区域进行定深航行所受到的浮力Θ＝B时，由于AUV的重力W已知，则AUV此时的剩余浮力为ΔB＝B-W，启动油囊式浮力均衡***，控制AUV艏部和艉部的单向式浮力均衡装置开始均衡AUV进行定深航行时所受到的剩余浮力，艏艉油囊向各自的耐压油箱回油，回油量产生的浮力变化需要满足：ΔB1/ΔB2＝L2/L1且ΔB1+ΔB2＝ΔB，ΔB1为AUV艏部单向式浮力均衡装置中油囊产生的浮力变化值，ΔB2为AUV艉部单向式浮力均衡装置中油囊产生的浮力变化值。
为了消除AUV在进行大潜深运动过程中由于海水密度、温度、盐度、压强的变化产生的剩余浮力；为了提高AUV的操纵性及控制精度，进而提高水声设备的测量精度；本发明提供了一种AUV进行大潜深运动时地的浮力补偿方法，旨在提高AUV在深海区域定深航行的精度及操纵性，进而提高搭载的高精度水声设备的测量精度。
本发明可有效的均衡剩余浮力的影响并消除AUV的纵倾角偏差，提高AUV的操纵性及控制精度，减小AUV定深航行时所受的阻力，在携带同等能源条件下增加AUV的航行时间。
本发明的有益效果：
本发明用于AUV大潜深运动浮力补偿控制方法。本发明以AUV定深航行时的状态变量ω，q，θ，Θ＝B作为剩余浮力辨识模型的状态变量和艉水平舵角δs作为剩余浮力辨识模型的输入，然后通过无迹卡尔曼滤波辨识算法对AUV在深海区域作定深航行时受到的剩余浮力进行高精度辨识，根据辨识的结果再通过油囊式浮力均衡***对航行器进行浮力调节，使AUV纵倾角θ＝0，艉水平舵舵角δs＝0，此时AUV的浮力与重力达到均衡状态。该方法可提高AUV的操纵性及控制精度，同时提高AUV搭载的高精度水声设备的测量精度。该方法也可以减小AUV定深航行时的阻力，节约能耗，增加AUV在水下的航行时间。本发明的优点在于通过AUV剩余浮力辨识算法高精度的辨识出AUV在深海区域定深航行时的剩余浮力，然后通过油囊式浮力均衡***对AUV的浮力进行一次性且高精度的调节，最终使AUV的浮力与重力达到均衡状态。
附图说明
图1是本发明的AUV大潜深运动浮力补偿控制方法流程图；
图2是本发明的用于AUV大潜深运动浮力补偿的浮力均衡装置分布示意图；
图3是本发明的用于AUV大潜深运动浮力补偿控制方法框图；
图4是本发明的浮力均衡装置***原理图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1，本发明的AUV大潜深运动浮力补偿控制方法主要包括以下几个步骤：
步骤一：通过AUV搭载的深度传感器检测出AUV在深海区域进行定深航行时的深度；
步骤二：当AUV在深海区域的航行深度稳定时，通过AUV剩余浮力辨识算法，辨识AUV在当前深海区域进行定深航行时受到的剩余浮力；
步骤三：当通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的结果为稳定时，再通过油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿；否则，继续对AUV在深海区域定深航行时受到的剩余浮力进行辨识；
步骤四：当AUV的浮力补偿值等于通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值时，则完成了对AUV的浮力补偿；否则，继续通过AUV油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿。
结合图2，本发明用于AUV大潜深运动浮力补偿的油囊式浮力均衡***13是由第一单向式浮力均衡装置12、第二向项式浮力均衡装置11两个单向式浮力均衡装置组成，分布位置为：AUV艏部16和艉部15各布置一个单向式浮力均衡装置，AUV艏部浮力均衡装置中油囊的浮心与AUV重心G的距离为L1，AUV艉部浮力均衡装置中油囊的浮心与AUV重心G的距离为L2。
结合图3，本发明用于AUV大潜深运动浮力补偿控制方法主要为：AUV剩余浮力辨识算法、油囊式浮力均衡控制***。
本发明采用双闭环控制方法，内环为纵倾控制，外环为深度控制，在双闭环控制方法下使AUV在深海区域能够进行稳定的定深航行；
当AUV在深海区域定深航行时，启动AUV剩余浮力辨识算法，开始辨识AUV在深海区域受海水密度、温度、盐度、压强等影响产生的剩余浮力，所述步骤二的AUV剩余浮力辨识的具体实现过程如下：
基于AUV剩余浮力辨识模型，通过剩余浮力辨识算法，即无迹卡尔曼滤波算法，辨识AUV在深海区域定深航行时受到的浮力值，由于AUV的自身重力已知，进而得到AUV的剩余浮力；
AUV的剩余浮力辨识模型为：
其中，X＝[w,q,θ,Θ]T为状态变量，u为输入向量，Y∈Rm为测量向量，Θ＝B为未知参数向量，f为AUV的动力学模型函数，h为AUV的测量模型函数，k为离散时间，γ(t)≈N(0,Q)为过程噪声，ζ(k)≈N(0,R)为在第k采样时刻的测量噪声；测量噪声ζ(k)和过程噪声γ(t)是相互独立零均值的白噪声。
无迹变换UT是无迹卡尔曼滤波算法的前提准备，无迹变换具体步骤为：
(1)构造Sigma点和均值
构造2n+1个Sigma点X(i)和相应的权值如下：
上式中，中的下标i表示矩阵的第i列，是与X同型的列向量。
其中，中的下标i表示矩阵的第i列，是与X同型的列向量，为矩阵的平方根，P为协方差矩阵，λ＝α2(n+κ)-n是一个缩放比例因子，α是一个尺度参数，决定Sigma点在X周围的分布状态，通过调节它可以使高阶项的影响降到最低，一般选择为：0.001≤α＜1；κ为可调参数，调整它可以提高逼近精度，β也为可调参数β≥0，它可以合并方差中高阶项的动差，进而把高阶项的影响包括在内，和分别为用于计算样本均值和样本协方差的加权。
(2)Sigma点的非线性传播
将上面构造的Sigma点直接按照式(4-11)的关系作非线性变换，产生相同数目的变换样本点Y(i)，即：
Y(i)＝h(X(i))i＝1,...,2n
(3)计算Y的均值和方差
计算变换样本点Y(i)(i＝0,1,2,...,2n)的均值和样本方差，用它们近似代表变量Y的均值和方差，即：
基于无迹卡尔曼滤波算法中的无迹变换，无迹卡尔曼滤波算法具体步骤为：
设定初值：
时间更新：
①当k＞1时，构造2n+1个Sigma点，即：
λ＝α2(n+κ)-n
②计算预测Sigma点，即：
③计算预测Sigma点的均值和方差，即：
测量更新：
当新的测量值获得后，再利用下面的公式对状态均值和方差进行更新。
其中，Pyy、Pxy和Pk均为协方差矩阵，Kk为修正系数，为测量信息修正状态，即辨识结果的更新状态值。
本发明中无迹卡尔曼滤波辨识算法中的UT过程的参数设定为：
其中，n为剩余浮力辨识模型中的状态变量数，α、κ、β为可调参数。
上述公式的所有字符中角标k代表采样时刻，角标i矩阵的第i列。
所述步骤三是基于AUV的剩余浮力辨识结果，通过调节油囊式浮力均衡***补偿AUV的浮力具体实现过程如下：
当通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值稳定时，启动AUV油囊式浮力均衡***，开始均衡AUV的剩余浮力；
当通过浮力均衡***产生的浮力等于AUV剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值时，此时AUV浮力补偿完成，即AUV的浮力和重力达到均衡的状态。
结合图4，浮力均衡装置***包括油箱1、单向阀2、液压泵3、空载气动阀4、高压回油阀5、节流阀6、双向截止阀7和油囊8，进行AUV油囊式浮力均衡***的控制时单向式浮力均衡装置中的液压油的流向决策为：
当AUV进行大潜深运动时，受到海水密度、温度、盐度、压强等变化的影响，AUV的浮力会增加，导致AUV的剩余浮力ΔB＝B-W＞0。
此时通过剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值达到稳定时，启动AUV油囊式浮力均衡***，开始均衡AUV的剩余浮力，即通过AUV艏部和艉部的单向式浮力均衡装置分别将AUV艏艉油囊中的液压油调节到各自的耐压油箱中，调节液压油产生的浮力的比例关系需要满足：ΔB1/ΔB2＝L2/L1且ΔB1+ΔB2＝ΔB；液压油调节的具体流程为：AUV艏部和艉部的单向式浮力均衡装置油囊中的液压油受深海区域海水压力作用分别经过图4中的8-6-5-2-1，最终流入各自的耐压油箱中。
当油囊式浮力均衡***产生的浮力满足：ΔB1/ΔB2＝L2/L1且ΔB1+ΔB2＝ΔB时，此时油囊式浮力均衡***停止工作，AUV达到均衡状态，即AUV重力和浮力大小相等且重心在同一铅垂线上，AUV在此状态下可提高其操纵性及控制精度，同时提高AUV搭载的精密水声设备的测量精度。
Claims (2)
1.一种AUV大潜深运动浮力补偿控制方法，其特征是：
通过AUV搭载的深度传感器检测出AUV在深海区域进行定深航行时的深度；
当AUV在深海区域的航行深度稳定时，通过AUV剩余浮力辨识算法，辨识AUV在当前深海区域进行定深航行时受到的剩余浮力；AUV剩余浮力辨识算法的剩余浮力辨识模型为：
其中，X＝[w,q,θ,Θ]T为状态变量，w为AUV的垂向速度、θ为纵倾角、q为纵倾角速度、Θ＝B为待辨识的浮力；u为输入向量，Y∈Rm为测量向量，h为AUV的测量模型函数，k为离散时间，γ(t)≈N(0,Q)为过程噪声，ζ(k)≈N(0,R)为在第k采样时刻的测量噪声；
当通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的结果为稳定时，再通过油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿；否则，通过AUV剩余浮力辨识算法继续对AUV在深海区域定深航行时受到的剩余浮力进行辨识；
当AUV的浮力补偿值等于通过AUV剩余浮力辨识算法辨识的剩余浮力值时，则完成了对AUV的浮力补偿；否则，继续通过AUV油囊式浮力均衡***对AUV进行浮力补偿。
2.根据权利要求1所述的AUV大潜深运动浮力补偿控制方法，其特征是：所述油囊式浮力均衡***由两个分别位于AUV的艏部和艉部的单向式浮力均衡装置组成，两个单向式浮力均衡装置均为液压控制***，包括耐压油箱、油囊和阀门，AUV艏部的单向式浮力均衡装置中油囊的浮心与AUV重心的距离为L1；AUV艉部的单向式浮力均衡装置中油囊的浮心与AUV重心的距离为L2；当通过AUV的剩余浮力辨识算法辨识出AUV在深海区域进行定深航行所受到的浮力Θ＝B时，由于AUV的重力W已知，则AUV此时的剩余浮力为ΔB＝B-W，启动油囊式浮力均衡***，控制AUV艏部和艉部的单向式浮力均衡装置开始均衡AUV进行定深航行时所受到的剩余浮力，艏艉油囊向各自的耐压油箱回油，回油量产生的浮力变化需要满足：ΔB1/ΔB2＝L2/L1且ΔB1+ΔB2＝ΔB，ΔB1为AUV艏部单向式浮力均衡装置中油囊产生的浮力变化值，ΔB2为AUV艉部单向 浮力均衡装置中油囊产生的浮力变化值。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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