CN111900899A - 一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制*** - Google Patents

一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，所述***包括控制机构、推进机构和执行机构；控制机构，用于根据期望横滚角和实时采集的水下航行器横滚角计算得到控制力矩，并将控制力矩转换为期望的电机转速并作用于执行机构，使得水下航行器的横滚角与期望横滚角的偏差值在阈值范围内；推进机构，包括沿着相反方向转动的两个同轴螺旋桨，以及两个相同的无刷直流电机；两个无刷直流电机分别与两个螺旋桨连接；产生水下航行器向前航行的动力；执行机构，由推进机构的两个无刷直流电机组成；根据期望的电机转速分别带动各自连接的螺旋桨转动，产生力矩差作用于水下航行器，使得水下航行器的横滚稳定。

Description

一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***
技术领域
本发明涉及水下航行体的操纵控制技术领域，尤其是涉及一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***。
背景技术
海洋是孕育生命的摇篮、储藏资源的宝库、交通运输的要道，是人类可持续发展最具潜力的开发空间，海洋资源的开发离不开水下工程装备的支持，在各国争相向海洋进军的21世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋资源最重要的手段与关键技术，必将受到广泛的重视和空前的发展。
水下航行体诞生于20世纪后半叶，并随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程而不断发展，作为高效率的水下工作平台，其在海洋资源开发与利用中扮演着至关重要的角色。在海底勘测、资源开发等领域，水下航行体成为高效可靠的设备平台；在水下施工、航道清理等方面，水下航行体是至关重要的作业工具；在沉船打捞、海难营救等问题上，水下航行体又是先进的救助打捞手段；在军事应用方面，无人水下航行器在海洋信息化作战中发挥越来越大的作用，用于完成海洋战争的信息传递、战场分析。总之，水下航行体发展迅速，用途广泛，在海洋资源开发利用与国民经济发展建设进程中起着举足轻重的作用。
水下航行体的操纵控制技术是目前重点研究的高新技术之一，是其完成指定任务的基本前提与重要保障。由于水下航行体的工作条件复杂，环境不稳定因素(周围水体的温度、密度、粘度变化、水流影响等)，并存在深海压力、复杂水动力等诸多不利因素，这就导致航行体的运动特性不稳定，表现出如下特点：
1.运动受流体的密度和粘性影响较大；
2.运动过程中的非线性程度高，且具有较强的时变性和耦合性；
3.运动时附加流体质量大，阻力大，运动速度慢；
4.海浪、洋流等随机扰动大；
基于上述复杂的水下航行体动态特性，对其位置与姿态控制技术也提出了更高的要求，除了要满足基本的稳定性需求外，还必须具有相应的控制精度和较高的机动效率。
无人水下航行器在海洋中运动时，稳定性是水下航行器的主要性能指标之一，而横滚稳定控制更是重中之重。由于三通道之间存在耦合作用，稳定的横滚控制是控制好俯仰通道和偏航通道的前提条件，横滚通道的精确控制有助于对俯仰和偏航通道进行控制。在这种背景条件下，开发与研制具有新型姿态控制执行机构的水下航行体，以及具有高控制性能和较好鲁棒性的横滚控制方法意义重大。
现阶段，绝大多数水下航行体采用差动舵作为执行机构对其横滚姿态进行控制，技术发展相对比较成熟，且具有结构简单、操作方便等优点。但是，随着水下航行体在海洋领域应用的更加专业化以及多样化，对其工作效率、寿命、机动性以及恶劣环境的能力也提出了更高的要求，传统执行机构的弊端也逐渐显现。首先，控制力矩的产生基于舵叶与流体的相互作用，在复杂流场特性条件下，输出力矩波动大，难以实现精确的姿态控制要求；其次，舵叶安装于航行体尾部，与海水直接接触，容易受到腐蚀，且舵杆与壳体之间还存在连接密封性问题；最后，差动舵提供的转矩是建立在一定航速的基础上，当航行体处于静止状态时，舵效丧失，无法实现任意姿态角机动。同时用差动舵来控制横滚角的响应时间慢。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，所述***包括控制机构、推进机构和执行机构；其中，
所述控制机构，用于根据期望横滚角和实时采集的水下航行器横滚角计算得到控制力矩，并将控制力矩转换为期望的电机转速并作用于执行机构，使得水下航行器的横滚角与期望横滚角的偏差值在阈值范围内；
所述推进机构，包括沿着相反方向转动的同轴的第一螺旋桨和第二螺旋桨，以及相同的第一无刷直流电机和第二无刷直流电机；第一无刷直流电机通过外轴与第一螺旋桨连接，第二无刷直流电机通过内轴与第二螺旋桨连接；两个无刷直流电机根据期望的电机转速分别带动各自连接的螺旋桨转动，产生水下航行器向前航行的动力；
所述执行机构，由所述推进机构的第一无刷直流电机和第二无刷直流电机组成；两个无刷直流电机根据期望的电机转速分别带动各自连接的螺旋桨转动，由第一螺旋桨转动产生的力矩与第二螺旋桨转动产生的力矩得到的力矩差作用于水下航行器，使得水下航行器的横滚稳定。
作为上述***的一种改进，所述期望横滚角为0°。
作为上述***的一种改进，所述控制机构包括姿态传感器、控制器和转换模块；其中，
所述姿态传感器，用于实时采集水下航行器的横滚角和横滚角速度；
所述控制器，用于根据期望横滚角和实时采集的横滚角，得到横滚角误差，并由此计算得到控制力矩T'q；
所述转换模块，用于将控制力矩T'q转换为第一无刷直流电机的期望转速n'1和第二无刷直流电机的期望转速n'2，n'1和n'2由下式联立得到：
kqn'1 2-kqn'2 2＝T'q
kTn'1 2+kTn'2 2＝T
其中，T为两个同轴螺旋桨产生的推力和，kq为每个螺旋桨的转矩系数，kT为每个螺旋桨的推力系数。
作为上述***的一种改进，所述控制器采用滑模变控制算法实现，具体包括：
根据期望横滚角和实时采集的横滚角，计算切换线s的一阶导数
Figure RE-GDA00026290868900000312
Figure RE-GDA0002629086890000031
其中，
Figure RE-GDA0002629086890000032
表示对
Figure RE-GDA0002629086890000033
求二阶导数，
Figure RE-GDA0002629086890000034
表示对
Figure RE-GDA0002629086890000035
求一阶导数，
Figure RE-GDA0002629086890000036
为期望的横滚角，
Figure RE-GDA0002629086890000037
表示对
Figure RE-GDA0002629086890000038
求一阶导数，
Figure RE-GDA0002629086890000039
为实际横滚角，
Figure RE-GDA00026290868900000314
为水下航行器绕纵对称轴的转动惯量，λ44为附加惯量，ΔRp为失衡力矩，G为水下航行器的浮力， zG为质心侧移量，yG为质心下移量，ρ为海水密度，VT为水下航行器的航行速度， S为水下航行体的横截面积，N为水下航行体的长度，
Figure RE-GDA00026290868900000311
为航行器的横滚力矩因数对横滚角速度的旋转导数，δd为差动舵角，c为常量系数；
对切换线的一阶导数
Figure RE-GDA00026290868900000313
进行积分，得到切换线s；
根据切换线s和横滚角误差，确定滑模变结构控制律，得到控制力矩T'q：
Figure RE-GDA00026290868900000310
其中，k为常量系数。
作为上述***的一种改进，所述第一无刷直流电机的输入电压通过以下步骤确定：
根据所述第一无刷直流电机的期望转速n'1，由下式计算得到第一无刷直流电机的角速度ω1：
Figure RE-GDA0002629086890000041
根据ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机的电磁转矩Te1：
Figure RE-GDA0002629086890000042
其中，TL1为负载转矩，B为阻尼系数，J为无刷直流电机的转动惯量；
根据ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的反电动势ea1，eb1，ec1：
ea1＝eb1＝ec1＝kuω1
其中，ku为感应电动势常数；
根据Te1以及ea1、eb1、ec1和ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的相电流ia1、ib1和ic1；
Te1＝(ea1ia1+eb1ib1+ec1ic1)/ω1
根据ea1，eb1，ec1以及ia1、ib1和ic1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的电压ua1、ub1和uc1：
Figure RE-GDA0002629086890000043
其中，Ra、Rb和Rc分别为三相定子绕组的相电阻；L为三相定子自感；M为所述三相定子绕组之间的互感；p为微分算子。
作为上述***的一种改进，所述第二无刷直流电机的输入电压通过以下步骤确定：
根据所述第二无刷直流电机的期望转速n'2，由下式计算得到第二无刷直流电机的角速度ω2：
Figure RE-GDA0002629086890000044
根据ω2，由下式计算得到第二无刷直流电机的电磁转矩Te2：
Figure RE-GDA0002629086890000045
其中，TL2为负载转矩；
根据ω1，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的反电动势ea2、eb2和ec2：
ea2＝eb2＝ec2＝kuω2
根据Te2以及ea2，eb2，ec2和ω2，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的相电流ia2、ib2和ic2；
Te2＝(ea2ia2+eb2ib2+ec2ic2)/ω2
根据ea2，eb2，ec2以及ia2、ib2和ic2，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的电压ua2、ub2和uc2：
Figure RE-GDA0002629086890000051
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明利用双转电机带动对转螺旋桨转动作为执行机构不仅产生水下航行器前进的推力，而且利用产生的力矩差来控制横滚角；双转电机控制的响应时间快于舵机，能迅速减小横滚姿态角的偏差，有效提高了水下航行器的控制精度和稳定性能；
2、采用滑模变结构控制算法实现双转电机的横滚控制，有效提高了控制的精度和稳定性；
3、当传统的舵机控制出现故障的时候，可用双转电机控制，且控制效果优于舵机控制。
附图说明
图1是水下航行器姿态闭环控制***原理框图；
图2是采用本发明实施例1的横滚角响应仿真验证图；
图3(a)是幅值100Nm失衡力矩的曲线图；
图3(b)是幅值50Nm失衡力矩的曲线图；
图3(c)是幅值10Nm失衡力矩的曲线图；
图4是本发明实施例1在100Nm失衡力矩作用下的横滚响应曲线图；
图5是本发明实施例1在50Nm失衡力矩作用下的横滚响应曲线图；
图6是本发明实施例1在10Nm失衡力矩作用下的横滚响应曲线图；
图7(a)是幅值100Nm正旋干扰的曲线图；
图7(b)是幅值40Nm正旋干扰的曲线图；
图8是本发明实施例1在100Nm正旋干扰下的横滚响应曲线图；
图9是本发明实施例1在40Nm正旋干扰下的横滚响应曲线图；
图10(a)是100dBW白噪声的曲线图；
图10(b)是30dBW白噪声的曲线图；
图11是本发明实施例1在100dBW白噪声干扰下的横滚响应曲线；
图12是本发明实施例1在30dBW白噪声干扰下的横滚响应曲线；
图13是采用本发明的实施例1与采用舵机的横滚响应曲线对比。
具体实施方式
本技术方案采用两个电机作为执行机构，一个电机与外轴连接，一个电机与内轴连接，两个电机再分别用内外轴与螺旋桨连接，两个电机执行机构不仅带动螺旋桨转动产生无人水下航行器向前航行的推力，而且用两个电机带动螺旋桨转动产生的力矩差来平衡横滚扰动，这种用力矩差来平衡横滚扰动在响应时间上会快于用差动舵来控制横滚角，从而使水下航行器在横滚方向上保持稳定。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***。
水下航行器为圆柱形，推进机构采用对转螺旋桨，由两同轴螺旋桨，一个正转一个反向旋转构成，水下航行器的推进采用两个无刷直流电机，一个电机与外轴连接，一个电机与内轴连接，内轴与外轴固定在一起，两个电机再分别于螺旋桨连接，通过内外推进轴直接带动正反螺旋桨转动，不仅带动螺旋桨转动产生无人水下航行器向前航行的推力，而且用两个电机带动螺旋桨转动产生的力矩差来平衡横滚扰动。
1、建立***模型
1.1无人水下航行器横滚模型建立
以航行器本体为参考系，以流体动力非线性表达式为基准的水下航行器空间运动学方程组共有15个方程，15个未知数：u,v,w,p,q,r,Xe,Ye,Ze,
Figure RE-GDA0002629086890000061
ψ,θ,VT,α,β，其中动力学方程6个，运动学方程9个，选取其中12个变量作为状态变量：
Figure RE-GDA0002629086890000062
水下航行器的空间运动数学模型可由六个动力学方程和九个运动学方程描述，首先对航行器空间运动方程和横向-横滚两个方向上进行分解，如果假设纵向运动和横向-横滚运动没有耦合，横舵偏转只引起纵向运动参数的改变，直舵偏转只引起横向-横滚运动参数的改变，把空间运动方程组分解为平面运动方程组，可得水下航行器空间横向-横滚运动学方程为：
Figure RE-GDA0002629086890000071
Figure RE-GDA0002629086890000077
式中：
Figure RE-GDA0002629086890000072
为横滚角，p为横滚角速度，λ44为附加惯量，ΔRp为失衡力矩，G为水下航行器的浮力，zG为质心侧移量，yG为质心下移量，ρ为海水密度，VT为水下航行器的航行速度，S为水下航行体的横截面积，N为水下航行体的长度，δd为差动舵角，c为常量系数；
进一步令侧向运动参数q＝β＝δr＝0，差动舵角δd＝0，可得出二阶的横滚运动模型
Figure RE-GDA0002629086890000073
Figure RE-GDA0002629086890000074
式中，
Figure RE-GDA0002629086890000075
为航行器的横滚力矩因数对横滚角速度的旋转导数；
1.2无刷直流电机模型
a.电压方程
无刷直流电机三相定子电压的平衡方程可用以下的状态方程表示：
Figure RE-GDA0002629086890000076
式中ua，ub，uc为三相定子电压；ea，eb，ec为三相定子的反电动势；ia，ib， ic为三相定子相电流；La，Lb，Lc为三相定子自感；Lab，Lac，Lba，Lbc，Lca，Lcb为三相定子绕组之间的互感；Ra，Rb，Rc为三相定子绕组的相电阻；p为微分算子 (d/dt)。
由电机的结构决定，在360电角度内，转子的磁阻不随转子位置的变化而变化，并假定三相绕组对称，则有：
La＝Lb＝Lc＝L，Lab＝Lac＝Lba＝Lbc＝Lca＝Lcb＝M，Ra＝Rb＝Rc；
由于三相对称的电机中，ia+ib+ic＝0，以及Mib+Mic＝-Mia
则可得出
Figure RE-GDA0002629086890000081
b.转矩方程
无刷直流电机的电磁转矩方程可表示为：
Te＝(eaia+ebib+ecic)/ω
其中，ω为无刷直流电机的角速度；
电机的转速
Figure RE-GDA0002629086890000082
c.运动方程：
Figure RE-GDA0002629086890000083
其中，B为阻尼系数，J为电机的转动惯量，TL为负载转矩。
结合上述方程，第一无刷直流电机的输入电压通过以下步骤确定：
根据所述第一无刷直流电机的转速n'1，由下式计算得到第一无刷直流电机的角速度ω1：
Figure RE-GDA0002629086890000084
根据ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机的电磁转矩Te1：
Figure RE-GDA0002629086890000085
其中，TL1为负载转矩，B为阻尼系数，J为无刷直流电机的转动惯量；
根据ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的反电动势ea1，eb1，ec1：
ea1＝eb1＝ec1＝kuω1
根据Te1以及ea1、eb1、ec1和ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的相电流ia1、ib1和ic1；
Te1＝(ea1ia1+eb1ib1+ec1ic1)/ω1
其中，ku为感应电动势常数；
根据ea1，eb1，ec1以及ia1、ib1和ic1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的电压ua1、ub1和uc1：
Figure RE-GDA0002629086890000091
其中，Ra、Rb和Rc分别为第一无刷直流电机三相定子绕组的相电阻；L为三相定子自感；M为所述三相定子绕组之间的互感；p为微分算子。
第二无刷直流电机的输入电压通过以下步骤确定：
根据所述第二无刷直流电机的转速n'2，由下式计算得到第二无刷直流电机的角速度ω2：
Figure RE-GDA0002629086890000092
根据ω2，由下式计算得到第二无刷直流电机的电磁转矩Te2：
Figure RE-GDA0002629086890000093
其中，TL2为负载转矩，B为阻尼系数，J为无刷直流电机的转动惯量；
根据ω1，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的反电动势ea2、eb2和ec2：
ea2＝eb2＝ec2＝kuω2
根据Te2以及ea2，eb2，ec2和ω2，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的相电流ia2、ib2和ic2；
Te2＝(ea2ia2+eb2ib2+ec2ic2)/ω2
其中，ku为感应电动势常数；
根据ea2，eb2，ec2以及ia2、ib2和ic2，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的电压ua2、ub2和uc2：
Figure RE-GDA0002629086890000101
其中，Ra、Rb和Rc分别为所述第二无刷直流电机三相定子绕组的相电阻；L为三相定子自感；M为所述三相定子绕组之间的互感；p为微分算子。
2.无人水下航行器横滚控制***设计
以前后两个电机作为无人水下航行器横滚姿态控制***的执行机构，其核心思想就是利用电机带动螺旋桨转动产生的力矩差作用在水下航行体上，驱动其完成横滚姿态机动任务。本***原理框图如图1所示。
控制器输入是期望横滚角和由姿态传感器测得的实际横滚角的偏差，其中期望的横滚角为0°，姿态传感器测量水下航行器实际的横滚角和横滚角速度，控制器的控制力矩Tq'经过数学转换为期望的电机转速n'1和n'2，经过电机后得出实际力矩差Tq，作用于水下航行器。
数学转换模块：
kqn'1 2-kqn'2 2＝T'q
kTn'1 2+kTn'2 2＝T
其中T'q为前后螺旋桨产生的控制转矩差，Tq为前后螺旋桨产生的实际转矩差，T为前后螺旋桨产生的推力和，kq为螺旋桨的转矩系数，kT为螺旋桨的推力系数。
3.滑模变控制算法的设计
滑模变结构***广泛应用于众多领域，如机器人、飞行器、交直流电机、电力***、过程控制等。水下航行器在水下航行时，受***参数不确定和外部扰动影响较大。在变结构***中，通过设计控制使***状态保持在滑模或其领域内，***的动态性能由所选取的滑模来确定，当处于滑模状态时，***响应会变得对***参数不确定和外部扰动完全不敏感。故选择滑模变结构控制水下航行器的横滚角。
滑模变结构控制***的设计一般分为两个步骤：
(1)设计切换线s(x)。该切换线的设计应该既保证滑模运动的渐进稳定，又能使其具有良好的动品质；
(2)设计滑模变结构控制律来满足***滑模运动到达条件，从而在切换线上形成滑动模区。
将姿态方程变形为
Figure RE-GDA0002629086890000111
将方程改写为如下形式
Figure RE-GDA0002629086890000112
选取
Figure RE-GDA0002629086890000113
Figure RE-GDA0002629086890000114
其中：
Figure RE-GDA0002629086890000115
为期望的横滚角，
Figure RE-GDA0002629086890000116
为实际横滚角。
选择切换面：
Figure RE-GDA0002629086890000117
选取指数趋近律：
Figure RE-GDA0002629086890000118
为了减少抖动，可以减少到达s(x)＝0时的速度
Figure RE-GDA0002629086890000119
即增大k减少η可以加速趋近过程，减少抖动。
对(5)式求导数，得
Figure RE-GDA00026290868900001110
将(2)代入(7)得
Figure RE-GDA00026290868900001111
由式(6)和(8)可得：
Figure RE-GDA00026290868900001112
定义Lyapunov函数为
Figure RE-GDA0002629086890000121
则
Figure RE-GDA0002629086890000122
将式(9)代入(11)可得
Figure RE-GDA0002629086890000123
4仿真实验结果及分析
4.1横滚角响应实验
水下航行器在定常航行阶段，都有一定的初始横滚角。该实验是验证水下航行器横滚控制器在一个初始横滚角的情况下，把横滚角抑制到0°的能力。假设初始横滚角为5°，仿真时间取5s，开始不加控制，在1s后再加入控制。仿真结果如图2所示，从图中可以看出，前1s不加入控制时，横滚角一直在5°左右，1s后加入控制可以很快把横滚角抑制到0°。
4.2抗扰动实验
水下航行器在航行中会有海浪、流以及失衡力矩的干扰。水下航行器的干扰数学模型极为复杂，结合实际应用，用三种方式来模拟干扰，即失衡力矩引起的干扰、正弦干扰和白噪声干扰。
4.2.1失衡力矩的干扰
水下航行器在航行中，由于存在失衡力矩而使横滚角发生变化。本实验验证在失衡力矩作用下横滚角的抗干扰性能。设定横滚角为0°，在3s-4s间分别施加幅值为100N.m、50N.m、10N.m的等效失衡力矩，对应的曲线图如图3(a)、图3(b)和图3(c) 所示，横滚响应曲线图如图4、图5和图6所示。从图4、图5和图6中可以看出，在失衡力矩作用下，控制可以使横滚角抑制在0.05°以内，满足横滚控制的要求。
4.2.2正旋干扰
水下航行器在航行过程中会受到海浪的干扰。本实验用正弦干扰来模拟水下航行器在海浪干扰下的抗干扰实验。设定横滚角为0°，在2-4s间分别施加幅值为 100N.m、40N.m，频率为3rad/sec的正弦干扰，对应的曲线图如图7(a)和图7(b)所示，横滚响应曲线图如图8和图9所示，从图8和图9中可以看出，控制可以有效地抑制横滚角。
4.2.3白噪声干扰
水下航行器在水面航行时，易受到海浪高频分量干扰。本实验通过对横滚姿态角加入高斯白噪声来模拟海浪高频分量的干扰。设定横滚角为0°，在2-3s间分别施加功率为100dBW、30dBW的白噪声，对应的曲线图如图10(a)和图10(b)所示，横滚响应曲线图如图11和图12所示，从图11和图12中可以看出，控制可以有效抑制横滚角。
4.3执行机构对比实验
舵机模型，现有技术采用舵机作为执行机构。
舵角是水下航行器动力学方程中的输入量，舵角的计算需要通过水下航行器的舵机模型得到，舵机为执行机构的主动部分，通常采用电机实现。一般的电机负载一定时，其输入和转速可用一个一阶环节描述，其描述如下：
Figure RE-GDA0002629086890000131
其中，k为电机的增益系数，T为电机的时间常数。
理想情况下，舵机输出的舵角可由电机转速积分得到，因此描述输入和舵角的电机传递函数可以表示为：
Figure RE-GDA0002629086890000132
本实验将电机、舵机作为执行机构来控制横滚角进行比较。
如图13所示，为二者的横滚响应曲线图，从图中可以看出，电机和舵机都可以控制水下航行器的横滚角，但在响应时间上电机要快于舵机。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，其特征在于，所述***包括控制机构、推进机构和执行机构；其中，
所述控制机构，用于根据期望横滚角和实时采集的水下航行器横滚角计算得到控制力矩，并将控制力矩转换为期望的电机转速并作用于执行机构，使得水下航行器的横滚角与期望横滚角的偏差值在阈值范围内；
所述推进机构，包括沿着相反方向转动的同轴的第一螺旋桨和第二螺旋桨，以及相同的第一无刷直流电机和第二无刷直流电机；第一无刷直流电机通过外轴与第一螺旋桨连接，第二无刷直流电机通过内轴与第二螺旋桨连接；两个无刷直流电机根据期望的电机转速分别带动各自连接的螺旋桨转动，产生水下航行器向前航行的动力；
所述执行机构，由所述推进机构的第一无刷直流电机和第二无刷直流电机组成；两个无刷直流电机根据期望的电机转速分别带动各自连接的螺旋桨转动，由第一螺旋桨转动产生的力矩与第二螺旋桨转动产生的力矩得到的力矩差作用于水下航行器，使得水下航行器的横滚稳定。
2.根据权利要求1所述的基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，其特征在于，所述期望横滚角为0°。
3.根据权利要求2所述的基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，其特征在于，所述控制机构包括姿态传感器、控制器和转换模块；其中，
所述姿态传感器，用于实时采集水下航行器的横滚角和横滚角速度；
所述控制器，用于根据期望横滚角和实时采集的横滚角，得到横滚角误差，并由此计算得到控制力矩T′q；
所述转换模块，用于将控制力矩T′q转换为第一无刷直流电机的期望转速n′1和第二无刷直流电机的期望转速n′2，n′1和n′2由下式联立得到：
Figure FDA0002557902970000011
Figure FDA0002557902970000012
其中，T为两个同轴螺旋桨产生的推力和，kq为每个螺旋桨的转矩系数，kT为每个螺旋桨的推力系数。
4.根据权利要求3所述的基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，其特征在于，所述控制器采用滑模变控制算法实现，具体包括：
根据期望横滚角和实时采集的横滚角，计算切换线s的一阶导数
Figure FDA0002557902970000021
Figure FDA0002557902970000022
其中，
Figure FDA0002557902970000024
表示对
Figure FDA0002557902970000025
求二阶导数，
Figure FDA0002557902970000026
表示对
Figure FDA0002557902970000027
求一阶导数，
Figure FDA0002557902970000028
为期望的横滚角，
Figure FDA0002557902970000029
表示对
Figure FDA00025579029700000210
求一阶导数，
Figure FDA00025579029700000211
为实际横滚角，
Figure FDA00025579029700000212
为水下航行器绕纵对称轴的转动惯量，λ44为附加惯量，ΔRp为失衡力矩，G为水下航行器的浮力，zG为质心侧移量，yG为质心下移量，ρ为海水密度，VT为水下航行器的航行速度，S为水下航行体的横截面积，N为水下航行体的长度，
Figure FDA00025579029700000213
为航行器的横滚力矩因数对横滚角速度的旋转导数，δd为差动舵角，c为常量系数；
对切换线的一阶导数
Figure FDA00025579029700000214
进行积分，得到切换线s；
根据切换线s和横滚角误差，确定滑模变结构控制律，得到控制力矩T′q：
Figure FDA00025579029700000215
其中，k为常量系数。
5.根据权利要求1所述的基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，其特征在于，所述第一无刷直流电机的输入电压通过以下步骤确定：
根据所述第一无刷直流电机的期望转速n′1，由下式计算得到第一无刷直流电机的角速度ω1：
Figure FDA00025579029700000216
根据ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机的电磁转矩Te1：
Figure FDA00025579029700000217
其中，TL1为负载转矩，B为阻尼系数，J为无刷直流电机的转动惯量；
根据ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的反电动势ea1，eb1，ec1：
ea1＝eb1＝ec1＝kuω1
其中，ku为感应电动势常数；
根据Te1以及ea1、eb1、ec1和ω1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的相电流ia1、ib1和ic1；
Te1＝(ea1ia1+eb1ib1+ec1ic1)/ω1
根据ea1，eb1，ec1以及ia1、ib1和ic1，由下式计算得到第一无刷直流电机三相定子的电压ua1、ub1和uc1：
Figure FDA0002557902970000031
其中，Ra、Rb和Rc分别为三相定子绕组的相电阻；L为三相定子自感；M为所述三相定子绕组之间的互感；p为微分算子。
6.根据权利要求1所述的基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制***，其特征在于，所述第二无刷直流电机的输入电压通过以下步骤确定：
根据所述第二无刷直流电机的期望转速n′2，由下式计算得到第二无刷直流电机的角速度ω2：
Figure FDA0002557902970000032
根据ω2，由下式计算得到第二无刷直流电机的电磁转矩Te2：
Figure FDA0002557902970000033
其中，TL2为负载转矩；
根据ω1，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的反电动势ea2、eb2和ec2：
ea2＝eb2＝ec2＝kuω2
根据Te2以及ea2，eb2，ec2和ω2，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的相电流ia2、ib2和ic2；
Te2＝(ea2ia2+eb2ib2+ec2ic2)/ω2
根据ea2，eb2，ec2以及ia2、ib2和ic2，由下式计算得到第二无刷直流电机三相定子的电压ua2、ub2和uc2：
Figure FDA0002557902970000034
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