[发明专利]一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法

权利要求书

1.一种自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动，向自主水下航行器提供推力，实现自主水下航行器瞬时加速；

步骤二：判断是否启动螺旋桨：控制器比较速度传感器实时监测自主水下航行器的速度与预设的速度阈值，若自主水下航行器的速度大于等于速度阈值，控制器启动螺旋桨，由螺旋桨提供航行动力；否则，返回步骤一；

步骤三：根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力；

步骤四：控制器根据阻力解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速；

步骤五：控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角；

所述步骤五中尾舵的舵角的计算方法为：陀螺仪将实时监测的自主水下航行器各自由度上的加速度传输至控制器；控制器分析自主水下航行器在水下的受力情况，则位姿误差为：

[q_e,r_e]＝[q-α_q,r-α_r]；

其中，q和r分别是AUV的纵倾角速度和偏航角速度，α_q和α_r为期望纵倾角速度和期望偏航角速度；

控制器基于积分滑模控制方法设计动力学控制率，在纵倾和偏航方向上的动力学方程为：

其中，m_ii表示包括附加质量在内的广义质量，i＝1,2,3,4,5,6；和为纵倾方向和偏航方向的角加速度；u,v,w,q,r分别表示各个自由度上的速度分量；M_q和N_r分别表示纵倾方向和偏航方向的一阶水动力阻尼系数，表示自主水下航行器的稳心高度，W为自主水下航行器的所受浮力；θ表示自主水下航行器的纵倾角；τ_q和τ_r分别为控制器输出的纵倾和偏航的控制率，f_q和f_r分别表示两个自由度上未知的干扰；

基于Lyapunov稳定性定理设计动力学控制律，将纵倾动力控制率和偏航控制率并作分析，选取Lyapunov函数为：

其中，用积分滑模面和

对Lyapunov函数求时间积分，得到：

为了使位姿误差q_e和r_e分别沿着积分滑模面S₁和S₂收敛于0，设计纵倾控制率τ_q和偏航控制率τ_r为：

控制器根据纵倾和偏航的控制率得到自主水下航行器的水平和垂直方向上所需的补偿力大小；补偿力由尾舵提供，尾舵的可控制量为尾舵的舵角；控制器根据所需补偿力大小和航行速度解算舵角δ为：

其中，δ_q是水平舵角，δ_r是垂直舵角，ρ为海水密度，A_R表示尾舵面积，V_R为速度传感器实际测量的航行速度，与航行速度v相等；C_R表示舵力系数，τ_q和τ_r表示纵倾控制率和偏航控制率；

步骤六：螺旋桨在步骤四计算的螺旋桨的转速下推进自主水下航行器稳定航行，控制器根据步骤五计算的尾舵的舵角调整自主水下航行器的位姿。

2.根据权利要求1所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述步骤一中喷气式推进装置包括点火装置(2)、燃料柱(1)、燃烧室(3)和喷管(4)，点火装置(2)设置在燃烧室(3)的一侧且与燃料柱(1)相匹配，燃料柱(1)设置在燃烧室(3)中，燃烧室(3)的另一侧安装有喷管(4)。

3.根据权利要求2所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述喷管(4)为先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，即喷管(4)包括收缩段和扩展段，收缩段与燃烧室(3)相连通，收缩段通过喷喉与扩展段相连通，扩展段与喷口相连通；所述喷喉为喷管(4)的截面积最小处。

4.根据权利要求2所述的自主水下航行器瞬时加速方法，其特征在于，所述燃料柱(1)内设有固体推进剂，固体推进剂中包含纳米铝粉，且纳米铝粉的含量的范围为15-35％。