[发明专利]一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制系统

权利要求书

1.一种基于双转电机的水下航行器横滚稳定控制系统，其特征在于，所述系统包括控制机构、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；

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：

k_qn′₁²-k_qn′₂²＝T′_q

k_Tn′₁²+k_Tn′₂²＝T

其中，T为两个同轴螺旋桨产生的推力和，k_q为每个螺旋桨的转矩系数，k_T为每个螺旋桨的推力系数；

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

其中，表示对求二阶导数，表示对求一阶导数，为期望的横滚角，表示对求一阶导数，为实际横滚角，J_x为水下航行器绕纵对称轴的转动惯量，λ₄₄为附加惯量，ΔR_p为失衡力矩，G为水下航行器的浮力，z_G为质心侧移量，y_G为质心下移量，ρ为海水密度，V_T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，为航行器的横滚力矩因数对横滚角速度的旋转导数，δ_d为差动舵角，c为常量系数；

对切换线的一阶导数进行积分，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：

其中，k为常量系数。

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系统，其特征在于，所述期望横滚角为0°。