[发明专利]多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种具有艏艉水平舵的多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统及方法。本发明针对水下拖曳式航行器在执行不同任务或处于同一任务不同阶段时，存在深度机动性高的相对潜浮和纵倾稳定的平行潜浮两种不同潜浮航行模式需求，设计了平行潜浮与相对潜浮可切换的一体化深度控制方法。在该一体化控制方法下，针对不同潜浮模式设计不同的期望纵倾角，并针对不同的任务需求切换平行潜浮或相对潜浮下的期望纵倾角。基于任务预设深度和期望纵倾角，设计了不依赖精确模型和控制参数自适应的水下拖曳式航行器深度反演控制器，通过同时控制艏、艉多水平舵，以实现水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制。

技术领域

本发明属于自动控制领域，更具体地，涉及一种针对同时具有艏艉水平舵的多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制系统及方法。

背景技术

自海洋进入立体化观测一来，水下拖曳式航行器被广泛用于海洋数据观测中。该种水下探测方式较AUV水下探测方式系统组成更简单，数据实时性更强且成本更低。拖曳航行器在搭载温盐深仪(CTD)进行数据采集时，在深度面只需进行波浪式运动，对姿态无特殊要求，但对拖曳航行器的深度机动性要求较高。拖曳航行器在搭载高精度海洋磁力计对海底进行石油勘探、管道巡检和考古等任务时，不仅要求进行定高运动，还要求纵倾和横摇处于稳定状态，此时航行器要求在变深的同时还维持纵倾的稳定。因此，拖曳航行器在深度面运动时存在相对潜浮和平行潜浮两种不同的变深运动需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明设计了多舵面水下拖曳式航行器的平行潜浮与相对潜浮一体化深度控制方法，可根据航行任务的需求或同一任务不同航行阶段的需求进行潜浮模式选择和切换，进而实现拖曳航行器不同模式的变深运动。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

多舵面水下拖曳航行器平行潜浮与相对潜浮的一体化深度控制方法由潜浮模式切换方法和自适应深度反演控制算法两部分组成。潜浮模式切换方法根据航行任务需求选择平行潜浮或相对潜浮两种模式，并根据所选模式确定期望纵倾角的计算方法；基于期望纵倾角和任务预定深度，设计自适应深度反演控制算法实时计算艏、艉多水平舵的舵角，同时跟踪期望纵倾和期望深度。

当拖曳航行器在变深的同时，要求纵倾角稳定，潜浮模式设置为平行潜浮，那么期望纵倾角设置为0度，即θ_d＝0。

当拖曳航行器在变深时，对纵倾角无要求，潜浮模式设置为相对潜浮，期望纵倾角按照一定的制导算法得出。在本发明中，使用视线角制导算法(LOS)构建。计算公式为θ_d＝θ_LOS+α，其中e_z1为深度误差，为制导参数，α为航行器垂直面的冲角。

潜浮模式的选择需适应航行任务的需求或同一任务不同航行阶段的需求，潜浮模式的切换仅需调整期望纵倾角的计算方法，无需更改后续的自适应深度反演控制算法。

自适应深度反演控制算法基于模型设计，拖曳航行器的深度通道模型可以描述为式(6)，纵倾通道模型可以描述为式(7)

定义状态变量x₁＝z，x₃＝θ，状态方程(6)和(7)表示为：

其中u＝[α_Hb α_Hs]，d_z和d_θ分别为两个通道的复合干扰。复合干扰的思想是将系统未建模项，时变参数和外界干扰等集总考虑。

设计出的自适应反演控制律为：