基于AUV的小矢量尾部推进器装置及控制方法

基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法
技术领域
1.本发明涉及海洋与水文调查设备领域，具体涉及一种方向微调装置及其控制方法。


背景技术：

2.水下自航行器(auv)，又称自治水下机器人，它以电池为动力，带有推进装置，一般没有机械手。由于受电池容量与自身重量的限制，水下自航行器需要在限定的时间内高效的完成任务，这时水下航行器的运动轨迹显得尤为关键。为确保其具有精确的运动轨迹，水下自航行器不仅需要一个强大的推进装置，更需要具备灵活的方向微调的能力。
3.目前市场上常用的方向调节装置设计有以下几种方案：1)将推进器固定在auv的尾部正中心，通过尾部舵机控制舵片来控制auv的方向，这种方案是应用范围最广的一种，但通过舵机传动控制舵片需要通过一系列的控制设计，且舵机转动后auv偏向较大，不适合微调auv的运行方向。2)采用安装垂直推进器和侧面推进器的方案，两个推进器协调运动比较复杂，同时消耗能源较高3)在尾部舱体内设计一个转动机构，使推进器进行小幅的转动的方案，由于尾部舱体大小的限制，小幅转动微调能力有限，推进器与尾舱间的密封有一定的难度。
4.在auv航行的控制方法上，国内大多采取pid控制和模糊控制的控制方法。这两个方法的基础都是pid控制，其中积分控制环节同时也普遍不具备智能判断，对于其中的参数整定步骤是决定控制效果的关键，并且在不同的航行环境和航行速度下，适用的控制参数也会有细微的不同。对于希望得到一组适用性良好的控制参数，需要进行大量的试验和收集大量的实验数据，同时也要消耗大量的人力物力财力和时间。
5.针对上述问题，本发明提出一种基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，该装置使用一个推进器即可实现auv的小幅转动，将推进器置于尾舱外，通过两个舵机调节推进器的方向，以便调节水下自航行器的水平面和垂直面的运动方向，实现水下自航行器的运动方向的可控性，提高水下自航行器的机动性。在控制方法上采用滑模变结构控制的方法，减少了大量参数整定的问题，极大地提升auv航行过程的控制时间与效果，同时进行航行速度和深度的双重控制，控制的范围也大大拓宽。


技术实现要素：

6.本发明提出一种基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，将一个推进器置于尾舱外固定，通过两个舵机调节推进器的方向，实现水下自航行器的运动方向的微调控制，提高水下自航行器的机动性，并且采用滑模变结构控制auv航行的速度与深度。
7.本发明采用以下的技术方案实现的：本装置包含一个推进器，回转舵机，翻转舵机，密封轴和控制器，设有密封机构、推进器传动机构和回转舵机固定机构，可以根据实际情况通过改变舵的偏转角度来矢量控制auv的移动方向，使其回到预定轨道。
8.所述的回转舵机固定在尾舱上，且可以带着推进器实现180
°
自由回转；
9.所述的翻转舵机可以带着推进器实现180
°
翻转，通过两个舵机协调控制，可以矢量的调节推进器产生的推力，达到控制auv前进方向的效果；
10.所述的密封结构分为旋转动密封和静密封；
11.所述的密封轴上设计有两个旋转动密封槽，既能使轴的扭矩传递给翻转舵机，又能阻止在传递扭矩过程中海水进入后舱。
12.进一步的，当auv向右偏转时，可以控制回转舵机向左回转90
°
，再控制翻转舵机往左翻转45
°
(具体翻转多少可以视实际情况变化)即可使auv回到预定轨道。
13.进一步的，通过控制翻转舵机和回转舵机的转动角度可以实现矢量调节auv的运动方向。
14.所述的控制器先通过滑模变结构控制速度，再缩小误差达到深度控制的目的。
15.所述的速度控制方法为：
16.1)设计速度积分滑模面：
[0017][0018]
2)计算推进器的推力：
[0019]
x
t
＝(1-t)ρn2d4k
t
[0020]
3)设计推力输入指数滑模控制律为
[0021]
τu＝-m
22
wq-(xu+x
u|u
|u|)u+m
11
(cue+k1su+ε1sgn(su))
[0022]
其中t表示推力减额系数，n表示螺旋桨的转速，d表示螺旋桨的直径，k
t
表示无因次推力系数，是进速比j的函数。
[0023]
所述的深度控制方法为：
[0024]
1.定义误差方程：
[0025][0026]
2.设计纵倾角控制量θd：
[0027]
θd＝c1ze[0028]
3.设计期望纵倾角速度：
[0029][0030]
4.为了镇定纵倾角速度误差qe，设计滑模面：
[0031][0032]
5.对滑模面s求导，可得：
[0033][0034]
6.设计滑模控制律：
[0035]
[0036]
其中c1，c2均大于0为之后选取的控制器参数，zd和ze为期望深度与深度误差，θd和θe为期望纵倾角和纵倾角误差，qe和qd为期望纵倾角速度和纵倾角速度误差。
[0037]
本发明的有益效果是：
[0038]
1、该装置实现了auv运动方向的微调性，提高auv的机动性。
[0039]
2、该装置一定程度上可替代舵片的功能，通过滑模变结构控制速度，再缩小误差达到深度控制的目的。
[0040]
3、该装置适用于多种型号的auv，只需选择合适转矩的舵机，再通过改变固定机构中各零件的大小即可。
[0041]
4、该装置结构紧凑，并且占用面积小，两个舵机一定程度上可以替代舵片的功能，具有更大的经济性。
附图说明
[0042]
图1是小矢量尾部推进器装置图；
[0043]
图2是小矢量尾部推进器装置的尾部爆炸图；
[0044]
图3是小矢量尾部推进器装置的尾部整体图；
[0045]
图4是小矢量尾部推进器装置的传动图。
[0046]
图5是小矢量尾部推进器装置的控制流程图
[0047]
图6是小矢量尾部推进器装置的速度控制和纵倾角速度控制的仿真图
[0048]
图7是小矢量尾部推进器装置的深度控制的仿真图
[0049]
图中：1后舱2尾舱3回转舵机4舵机固定件5盖板6舵机连接件7键8穿线螺栓9密封轴10深勾球轴承ⅰ11端盖12泄气阀13转盘14翻转舵机固定块15翻转舵机16推进器连接块17推进器18深勾球轴承ⅱ19穿线螺栓ⅰ20穿线螺栓ⅱ具体实施方式
[0050]
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0051]
如图1、2、4所示，本发明所述的基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法主要由推进器17，回转舵机3，翻转舵机15和密封轴9组成，根据实际情况通过改变舵的偏转角度来矢量控制auv的移动方向，使其回到预定轨道。首先，固定回转舵机3：后舱1与auv主体相连，后舱1与尾舱2之间通过螺栓相连，且设有静密封圈，尾舱2通过螺栓固定盖板5，盖板5通过螺栓固定舵机固定件4，舵机固定件4通过螺栓固定回转舵机3；其次，回转舵机3传动给推进器：回转舵机3通过螺栓连接着舵机连接件6，通过键7将转矩传递给密封轴9，密封轴9由深勾球轴承ⅰ10和深勾球轴承ⅱ18支撑并回转，同时通过螺栓连接将力传递到转盘13，转盘13通过翻转舵机固定块14带动翻转舵机15回转，翻转舵机15通过推进器连接块16带动推进器回转；接着，翻转舵机15翻转推进器：翻转舵机15通过推进器连接块16之间将力矩传递给推进器；最后，深勾球轴承ⅰ10和深勾球轴承ⅱ18的固定：密封轴9压着深勾球轴承ⅰ10的外圈，尾舱2；尾舱2通过螺栓固定端盖11，端盖11压着深勾球轴承ⅱ18的外圈，转盘13下端的凸起压着深勾球轴承ⅱ18的内圈，而密封轴9通过螺栓固定着转盘。
[0052]
如图2、3所示，在密封轴9处设有两道旋转动密封槽，防止海水在auv调整方向时通
过密封轴9进入尾舱2，旋转动密封槽设在尾舱2端面前，且端盖5的螺栓孔不穿出尾舱2。尾舱的静密封是由泄气阀12、穿线螺栓ⅰ19、穿线螺母8和穿线螺栓ⅱ20自带的静密封阻止海水通过穿线孔进入尾舱2中。
[0053]
如图5所示，本控制方法通过滑模变结构先对auv航行速度进行稳定控制的前提上再进行auv深度控制的过程，其具体实施步骤如下所述：
[0054]
1.将auv的航行控制内容分为速度控制和深度控制两个部分。深度控制的基础也是建立在速度控制完成的基础上。
[0055]
2.速度控制中采用滑模变结构的控制方法，结构如式(1)式(2)和式(3)所示
[0056][0057]
x
t
＝(1-t)ρn2d4k
t
ꢀꢀꢀꢀ
式(2)
[0058]
τu＝-m
22
wq-(xu+x
u|u
|u|)u+m
11
(cue+k1su+ε1sgn(su))
ꢀꢀꢀꢀ
式(3)
[0059]
式(1)式(2)和式(3)中ud为期望速度；ue为速度跟踪误差，t表示推力减额系数，n表示螺旋桨的转速，d表示螺旋桨的直径，k
t
表示无因次推力系数，是进速比j的函数。
[0060]
如图6所示，在输出计算时，第1步根据速度偏差的大小设计计算滑模面，第2步根据推进器的推力计算公式计算实际推力，第3步设计出推力输入指数滑模控制律，通过matlab仿真实验可得速度滑模面在有限时间内渐进收敛为零。
[0061]
3.深度控制在完成恒定的速度控制的基础上，进行滑模控制律的设计驱动auv跟踪目标深度，跟踪误差也能渐进稳定于0，方法结构如式(4)式(5)和式(6)
[0062][0063][0064][0065]
式(4)中zd和ze为期望深度与深度误差；θd和θe为期望纵倾角和纵倾角误差；qe和qd为期望纵倾角速度和纵倾角速度误差
[0066]
如图7所示，在输出计算时，第1步设计纵倾角θd和纵倾角速度qd，第2步设计纵倾角速度滑模面并求导，第3步设计滑模控制律，通过matlab仿真实验可得滑模面在有限时间内各个状态变量的误差渐进收敛到零。
[0067]
该装置的工作过程如下所述，当auv需要在水下按照既定路线航行发生偏离时，通过调节回转舵机3和翻转舵机15来控制推进器17的方向来微调auv的运动方向。以auv向右偏转为例，可以控制回转舵机向左回转90
°
，再控制翻转舵机往左翻转45
°
(具体翻转多少可以视实际情况变化)可使auv回到预定轨道。

技术特征：
1.一种基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：设有密封机构、推进器传动机构、回转舵机固定机构和控制器，分别由密封轴(9)，推进器(17)，回转舵机(3)和翻转舵机(15)作为机构核心，根据实际情况通过改变舵机的偏转角度来矢量控制auv的移动方向，使其回到预定轨道；所述的回转舵机(3)固定在尾舱(2)上，且可以带着翻转舵机(15)实现180
°
自由回转；所述的翻转舵机(15)可以带着推进器(17)实现180
°
翻转，通过翻转舵机(15)和回转舵机(3)的协调控制，矢量的调节推进器(17)产生的推力，达到控制auv前进方向的效果；所述的密封结构机构分为旋转动密封和静密封；所述的控制器的控制目标分别是：目标一是控制auv的实际速度跟踪期望速度最终实现速度的误差收敛到0渐进稳定；目标二是控制auv的实际深度跟踪期望深度最终实现深度的误差收敛到0渐进稳定。2.根据权利要求1所述的基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的密封轴(9)由传动轴改良而成，以密封手册上的as568尺寸系统为标准在轴上切出两个合适尺寸的旋转动密封槽。3.根据权利要求1所述的基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的静密封由穿线螺栓ⅰ(19)、穿线螺栓ⅱ(20)和泄气阀(12)和o形密封组成。4.根据权利要求1所述的基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的控制器的速度控制，所述方法如下：步骤4-1，auv尾部推进器的推力，可按下式确定：x
t
＝(1-t)ρn2d4k
t
其中t表示推力减额系数，n表示螺旋桨的转速，d表示螺旋桨的直径，k
t
表示无因次推力系数，是进速比j的函数。步骤4-2，定义速度的误差方程：u
e
＝u-u
d
其中，u
d
为期望速度；u
e
为速度跟踪误差。步骤4-3，设计速度积分滑模面及求导：3，设计速度积分滑模面及求导：步骤4-4，设计推力输入指数滑模控制律：τ
u
＝-m
22
wq-(x
u
+x
u|u|
u|)u+m
11
(cu
e
+k1s
u
+ε1sgn(s
u
))步骤4-5，通过matlab进行模拟仿真实验，验证基于auv的小矢量尾部推进器装置的速度控制有效性。5.根据权利要求1所述的基于auv的小矢量尾部推进器装置及控制方法，其特征在于：所述的控制器的深度控制，所述方法如下：步骤5-1，定义误差方程：
其中，z
d
和z
e
为期望深度与深度误差；θ
d
和θ
e
为期望纵倾角和纵倾角误差；q
e
和q
d
为期望纵倾角速度和纵倾角速度误差步骤5-2，设计纵倾角控制量θ
d
：θ
d
＝c1z
e
其中，c1＞0为之后选取的控制器参数。步骤5-3，设计期望纵倾角速度：步骤5-4，为了镇定纵倾角速度误差q
e
，设计滑模面：步骤5-5，对滑模面s求导，可得：步骤5-6，设计滑模控制律：步骤5-7，结合滑模控制律使各个状态变量的误差渐进收敛到零。通过matlab进行模拟仿真实验，验证基于auv的小矢量尾部推进器装置的深度控制有效性。

技术总结
本发明公开了基于水下机器人(AUV)设计的小矢量控制尾部推进器设计装置及控制方法，设有密封机构、推进器传动机构、回转舵机固定机构和控制器。本装置通过两个舵机控制推进器的朝向来控制AUV的运动方向，一定程度上替代舵的转向功能，可以根据实际偏航情况改变舵的偏转角度来矢量控制AUV的移动方向。本发明涉及一种滑模变结构的控制方法，对AUV的航行进行速度控制和深度控制，减少参数整定过程带来的问题与难度，控制效果更快速稳定。控制效果更快速稳定。控制效果更快速稳定。


技术研发人员：王杨帆 严天宏 姚金涛
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.12.16
技术公布日：2023/4/20