[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

说明书

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系统，所述系统包括控制机构、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。

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系统。

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系统。