CN112591060B - 一种水下自主航行器x型舵控制方法 - Google Patents

一种水下自主航行器x型舵控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下自主航行器X型舵控制方法,属于水下自主航行器控制技术领域,该控制方法能够提高航行器的机动性,使航行器在水面和水下稳定航行。首先取水下自主航行器坐标系Oxyz;设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角,形成X型舵分布;其次将水下自主航行器中舵机***上电后,舵角指令正常下达,并反馈正常;再次将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上,以Oy轴舵角控制垂直方向运动,Oz轴舵角控制水平方向运动,根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵,得到X型舵与十字舵的舵角转换公式;最后反推X型舵中四个舵角的大小,并对舵角进行限幅,从而实现X型舵的航行控制。

Description

一种水下自主航行器X型舵控制方法
技术领域
本发明涉及水下自主航行器控制技术领域,具体涉及一种水下自主航行器X型舵控制方法。
背景技术
水下自主航行器在水面航行时,垂直舵角上部分受航行器浮力的影响,舵面可能在水面以上,从而影响水面操纵性;水下航行时,在同等舵面积的情况下,X型舵舵效较十字舵有较大的提升,对不超基线的水下航行器而言,有较大的优势,方便航行器布放回收。
目前在水下自主航行器的控制技术领域,针对十字型舵的控制方法较多,如何设计针对X型舵的控制方法,从而更有效地发挥X型舵的舵效,在保证水下自主航行器稳定航行的基础上,提高水下自主航行器的机动性。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种水下自主航行器X型舵控制方法,能够提高航行器的机动性,使航行器在水面和水下稳定航行。
为了达到上述目的,本发明的技术方案包括如下步骤:
步骤1、取水下自主航行器坐标系Oxyz,O为航行器的浮心,Ox沿水下自主航行器的纵轴指向前方,Oy轴垂直于Ox轴指向上方,Oz轴垂直于Ox轴和Oy轴,其方向使坐标系成为右手系;设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角,形成X型舵分布;
步骤2、水下自主航行器中舵机***上电后,舵角指令正常下达,并反馈正常;
步骤3、将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上,以Oy轴舵角控制垂直方向运动,Oz轴舵角控制水平方向运动,根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵,得到X型舵与十字舵的舵角转换公式;
步骤4、反推X型舵中四个舵角的大小,并对舵角进行限幅,从而实现X型舵的航行控制。
进一步地,根据水下自主航行器的X型舵分布,以右上角舵为δ1,逆时针依次为δ2、δ3、δ4
进一步地,步骤3,具体包括如下步骤:
步骤301、定义舵角正负:水下自主航行器的水平舵角为δe,水下自主航行器的垂直舵角为δr,从艉向艏看,右舵和下舵为正;航行器X型舵分布,以右上角舵为δ1,逆时针依次为δ2、δ3、δ4,从艉向艏看,δ1和δ3右下舵为正,δ2和δ4左下舵为正。
步骤302、根据垂直方向和水平方向的受力分析,即航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵,得到:
Figure BDA0002854232260000021
Figure BDA0002854232260000022
步骤303、增加横滚控制,X型舵的四个舵对水下自主航行器产生的翻滚力矩对应的差动舵角为δd,用于平衡潜航器在水下由于自身衡重所引起的横滚:
Figure BDA0002854232260000023
步骤304、得到δe,δr,δd与δ1,δ2,δ3,δ4的关系,即为X型舵与十字舵的舵角转换公式:
Figure BDA0002854232260000031
进一步地,根据水下自主航行器不同速度,通过实航或仿真试验得到δd的值。
进一步地,步骤4,具体包括如下步骤:
步骤401,根据矩阵求逆可推算出X型舵四个舵角的角度值分别为:
Figure BDA0002854232260000032
步骤402,水下自主航行器的水平舵角δe和垂直舵角δr的上下限为舵角幅值±δ,以水平舵角δe作为基准,水平舵角δe的取值范围为[-δ,+δ],垂直舵角的取值范围为[-(δ-δde),+(δ-δde)],从而确保δ1,δ2,δ3,δ4的上下限不超舵角幅值±δ。
有益效果:
本发明适用于水下自主航行器X型舵控制方法,将X型舵投影至水平舵和垂直舵,对航行器的垂向运动、侧向运动和横滚进行控制,并对舵角的限幅进行约束,从而实现平台在水面水下的稳定航行。
附图说明
图1为水下自主航行器X型舵分布图;
图2为本发明提供的水下自主航行器X型舵控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种水下自主航行器X型舵控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、取水下自主航行器坐标系Oxyz,O为航行器的浮心,Ox沿水下自主航行器的纵轴指向前方,Oy轴垂直于Ox轴指向上方,Oz轴垂直于Ox轴和Oy轴,其方向使坐标系成为右手系;设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角,形成X型舵分布;如图1所示航行器X型舵分布,根据水下自主航行器的X型舵分布,以右上角舵为δ1,逆时针依次为δ2、δ3、δ4
步骤2、水下自主航行器中舵机***上电后,舵角指令正常下达,并反馈正常。
步骤3、将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上,以Oy轴舵角控制垂直方向运动,Oz轴舵角控制水平方向运动,根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵,得到X型舵与十字舵的舵角转换公式;该步骤3具体包括如下步骤:
步骤301、定义舵角正负:水下自主航行器的水平舵角为δe,水下自主航行器的垂直舵角为δr,从艉向艏看,右舵和下舵为正;航行器X型舵分布,以右上角舵为δ1,逆时针依次为δ2、δ3、δ4,从艉向艏看,δ1和δ3右下舵为正,δ2和δ4左下舵为正。
步骤302、根据垂直方向和水平方向的受力分析,即航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵,得到:
Figure BDA0002854232260000041
Figure BDA0002854232260000042
步骤303、增加横滚控制,X型舵的四个舵对水下自主航行器产生的翻滚力矩对应的差动舵角为δd,用于平衡潜航器在水下由于自身衡重所引起的横滚:
Figure BDA0002854232260000051
根据水下自主航行器不同速度,通过实航或仿真试验得到δd的值。
步骤304、得到δe,δr,δd与δ1,δ2,δ3,δ4的关系,即为X型舵与十字舵的舵角转换公式:
Figure BDA0002854232260000052
步骤4、反推X型舵中四个舵角的大小,并对舵角进行限幅,从而实现X型舵的航行控制。该步骤4具体包括如下步骤:
步骤401,根据矩阵求逆可推算出X型舵四个舵角的角度值分别为:
Figure BDA0002854232260000053
步骤402,水下自主航行器的水平舵角δe和垂直舵角δr的上下限为舵角幅值±δ,以水平舵角δe作为基准,水平舵角δe的取值范围为[-δ,+δ],垂直舵角的取值范围为[-(δ-δde),+(δ-δde)],从而确保δ1,δ2,δ3,δ4的上下限不超舵角幅值±δ。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水下自主航行器X型舵控制方法,其特征在于,将X型舵投影至水平舵和垂直舵,对航行器的垂向运动、侧向运动和横滚进行控制,并对舵角的限幅进行约束,从而实现平台在水面水下的稳定航行,包括如下步骤:
步骤1、取水下自主航行器坐标系Oxyz,O为航行器的浮心,Ox沿水下自主航行器的纵轴指向前方,Oy轴垂直于Ox轴指向上方,Oz轴垂直于Ox轴和Oy轴,其方向使坐标系成为右手系;设置四个舵面分别与Oy轴和Oz轴成45°角,形成X型舵分布;根据水下自主航行器的X型舵分布,以右上角舵为δ1,逆时针依次为δ2、δ3、δ4
步骤2、水下自主航行器中舵机***上电后,舵角指令正常下达,并反馈正常;
步骤3、将X型舵投影至Oy轴和Oz轴上,以Oy轴舵角控制垂直方向运动,Oz轴舵角控制水平方向运动,根据航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵、不产生翻滚力矩的差动舵,得到X型舵与十字舵的舵角转换公式;步骤3,具体包括如下步骤:
步骤301、定义舵角正负:水下自主航行器的水平舵角为δe,水下自主航行器的垂直舵角为δr,从艉向艏看,右舵和下舵为正;航行器X型舵分布,以右上角舵为δ1,逆时针依次为δ2、δ3、δ4,从艉向艏看,δ1和δ3右下舵为正,δ2和δ4左下舵为正;
步骤302、根据垂直方向和水平方向的受力分析,即航行控制所需要深度保持的水平舵、航向保持的垂直舵,得到:
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
步骤303、增加横滚控制,X型舵的四个舵对水下自主航行器产生的翻滚力矩对应的差动舵角为δd,用于平衡潜航器在水下由于自身衡重所引起的横滚:
Figure QLYQS_3
步骤304、得到δe,δr,δd与δ1,δ2,δ3,δ4的关系,即为X型舵与十字舵的舵角转换公式:
Figure QLYQS_4
步骤4、反推X型舵中四个舵角的大小,并对舵角进行限幅,从而实现X型舵的航行控制;步骤4,具体包括如下步骤:
步骤401,根据矩阵求逆可推算出X型舵四个舵角的角度值分别为:
Figure QLYQS_5
步骤402,水下自主航行器的水平舵角δe和垂直舵角δr的上下限为舵角幅值±δ,以水平舵角δe作为基准,水平舵角δe的取值范围为[-δ,+δ],垂直舵角的取值范围为[-(δ-δde),+(δ-δde)],从而确保δ1,δ2,δ3,δ4的上下限不超舵角幅值±δ;
根据水下自主航行器不同速度,通过实航或仿真试验得到δd的值。
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