專利名稱：面向海洋觀測(cè)作業(yè)的uuv航速雙工控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種UUV航速控制裝置及方法，具體地說(shuō)是一種面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
無(wú)人潛航器(Unmanned Underwater Vehicles，簡(jiǎn)稱UUV)又稱無(wú)人水下航行器或水下機(jī)器人是高新技術(shù)的集成體，其在復(fù)雜的海洋環(huán)境中自主完成預(yù)先規(guī)劃的使命任務(wù)是極具挑戰(zhàn)性的，而設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是其在盡可能滿意的完成使命任務(wù)的同時(shí)確保自身安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。在運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題中，航速控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其它運(yùn)動(dòng)控制的前提，一旦UUV達(dá)不到設(shè)計(jì)航速，其余運(yùn)動(dòng)控制將受限，甚至大大低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而使命任務(wù)失敗。因此，急需一種能夠在多工況下，使UUV均能穩(wěn)定、安全作業(yè)的航速控制系統(tǒng)。熊華勝等人于2005年發(fā)表“魯棒H⑴濾波器在AUV航向控制中的應(yīng)用仿真”(機(jī)器人，Vol.27, No. 6, P5^-P530)。該文為保證航向控制滿足設(shè)計(jì)要求，采用反饋式控制方式對(duì)航速進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制。但是，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，某些工況常常降低UUV的能量利用率，如在水域作業(yè)過(guò)程中速度測(cè)量傳感器不可避免發(fā)生波動(dòng)，此時(shí)利用實(shí)時(shí)精確的航速控制方法控制航速將產(chǎn)生倒車現(xiàn)象，下個(gè)控制節(jié)拍將繼續(xù)對(duì)航速進(jìn)行調(diào)整，如此錯(cuò)車必將增大單位千米的耗電量。0yvind Hegrenaes ^AT 2008 ip^^"Model-Aided Inertial Navigation for Underwater Vehicles，， (In Proceedings of the IEEE International Conterence on Robotics and Automation, Pasadena)。該文提出在UUV執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中采用速度開(kāi)環(huán)的方式對(duì)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，但是當(dāng)UUV航速不高且海流不能忽略的情況下，開(kāi)環(huán)航速控制很有可能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種當(dāng)UUV任務(wù)要求及作業(yè)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，它能夠迅捷的對(duì)UUV的航速進(jìn)行切換控制，強(qiáng)化UUV自主控制的作用，在滿足UUV航速控制的同時(shí)能提高航行安全性的面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制方法本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置包括任務(wù)控制模塊1、量級(jí)航速控制通道2、精確航速控制通道3、運(yùn)動(dòng)控制模塊4和感知模塊5 ；任務(wù)控制模塊1分別與量級(jí)航速控制通道2、精確航速控制通道3、運(yùn)動(dòng)控制模塊4和感知模塊5相互連接；量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3均與運(yùn)動(dòng)控制模塊4連接。量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3構(gòu)成航速控制通道。本發(fā)明的面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制方法為由任務(wù)控制模塊1、量級(jí)航速控制通道2、精確航速控制通道3、運(yùn)動(dòng)控制模塊4和感知模塊5構(gòu)成面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置；所述的任務(wù)控制模塊1對(duì)UUV的系統(tǒng)狀態(tài)及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控并與運(yùn)動(dòng)控制模塊 4進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)接收運(yùn)動(dòng)控制模塊4發(fā)送的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息，同時(shí)，結(jié)合UUV任務(wù)和海洋環(huán)境信息選擇航速控制方式，通過(guò)量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3將控制指令發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制模塊4 ；所述的量級(jí)航速控制通道2為平均航速控制模塊，控制周期T1為IOs ；包含先前的航速-電壓調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，利用任務(wù)控制模塊1下達(dá)的航速指令與數(shù)字化控制量之間的非線性映射關(guān)系得到當(dāng)前航速指令的數(shù)字化控制量；同時(shí)，根據(jù)控制周期T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均航速，以及海流剖面儀測(cè)量得到的海流狀態(tài)修正之前得到的數(shù)字化控制量，并發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊4 ；在控制周期T1內(nèi)，修正后的數(shù)字化控制量保持不變；所述的精確航速控制通道3為實(shí)時(shí)航速控制模塊，控制周期T2為0. 5s ；對(duì)當(dāng)前航速信息進(jìn)行反饋，利用PID算法得到當(dāng)前航速指令的數(shù)字化控制量，并發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊4，使UUV航速精確的反映當(dāng)前指令航速；所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊4接收量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3下傳的數(shù)字化控制量，執(zhí)行控制指令；同時(shí)，將指令執(zhí)行情況反饋給任務(wù)控制模塊1 ；所述的感知模塊5負(fù)責(zé)采集UUV的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息，為UUV自主切換航速控制方式及進(jìn)行航速控制提供反饋信號(hào)。本發(fā)明面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工調(diào)節(jié)策略與控制系統(tǒng)的工作原理是感知模塊5采集UUV的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息經(jīng)處理后發(fā)送給任務(wù)控制模塊1運(yùn)動(dòng)控制模塊4與任務(wù)控制模塊1進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，同時(shí)，任務(wù)控制模塊1根據(jù)當(dāng)前工況選用不同通道將與UUV當(dāng)前航速指令相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化控制量發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊4，進(jìn)而完成整個(gè)航速控制過(guò)程。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)UUV作業(yè)工況發(fā)生改變時(shí)，可方便靈活的對(duì)UUV航速控制方式進(jìn)行切換，強(qiáng)化了 UUV自主控制的作用，在滿足UUV航速控制的同時(shí)提高了航行安全，可應(yīng)用于各種無(wú)人UUV的纜控調(diào)試以及多工況自主作業(yè)時(shí)的航速控制。


圖1為面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工調(diào)節(jié)與控制方法的框圖。圖2為面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工調(diào)節(jié)與控制方法的控制原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明的面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置包括任務(wù)控制模塊1、量級(jí)航速控制通道2、精確航速控制通道3、運(yùn)動(dòng)控制模塊4和感知模塊5。其中，任務(wù)控制模塊1分別與量級(jí)航速控制通道2、精確航速控制通道3、運(yùn)動(dòng)控制模塊4和感知模塊5相互連接；量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3均與運(yùn)動(dòng)控制模塊4連接。所述的任務(wù)控制模塊1為該系統(tǒng)的核心模塊，其對(duì)UUV的系統(tǒng)狀態(tài)及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，它將與運(yùn)動(dòng)控制模塊4進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)接收運(yùn)動(dòng)控制模塊4發(fā)送的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息，同時(shí)，結(jié)合UUV任務(wù)和海洋環(huán)境信息選擇航速控制方式，通過(guò)量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3將控制指令發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制模塊4。所述的量級(jí)航速控制通道2為平均航速控制模塊，控制周期T1為10s。其包含先前的航速-電壓調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，利用任務(wù)控制模塊1下達(dá)的航速指令與數(shù)字化控制量之間的非線性映射關(guān)系得到當(dāng)前航速指令的數(shù)字化控制量；同時(shí)，根據(jù)T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均航速，以及海流剖面儀測(cè)量得到的海流狀態(tài)修正之前得到的數(shù)字化控制量，并將其發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊4。在控制周期T1內(nèi)，修正后的數(shù)字化控制量保持不變。所述的精確航速控制通道3為實(shí)時(shí)航速控制模塊，控制周期T2為0. ^。其對(duì)當(dāng)前航速信息進(jìn)行反饋，利用PID算法得到當(dāng)前航速指令的數(shù)字化控制量，并將其發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊4，使UUV航速精確的反映當(dāng)前指令航速。所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊4接收量級(jí)航速控制通道2和精確航速控制通道3下傳的數(shù)字化控制量，執(zhí)行控制指令。同時(shí)，它將指令執(zhí)行情況反饋給任務(wù)控制模塊1。所述的感知模塊5負(fù)責(zé)采集UUV的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息，其為UUV自主切換航速控制方式及進(jìn)行精確航速控制提供了反饋信號(hào)。圖1示出的本發(fā)明面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工調(diào)節(jié)策略與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成中，感知模塊5采集UUV的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息經(jīng)處理后發(fā)送給任務(wù)控制模塊1，運(yùn)動(dòng)控制模塊4與任務(wù)控制模塊1進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。任務(wù)控制模塊1根據(jù)當(dāng)前工況選用不同通道將與UUV當(dāng)前航速指令相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化控制量發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊4，進(jìn)而完成整個(gè)航速控制過(guò)程。結(jié)合圖2，本發(fā)明面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工調(diào)節(jié)策略與控制系統(tǒng)的控制原理圖，任務(wù)控制模塊1根據(jù)當(dāng)前工況，包括任務(wù)執(zhí)行情況、UUV位姿信息，將航速控制通道標(biāo)識(shí)與航速控制指令合成并發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊2的輸入端。在精確航速控制模式下，UUV 狀態(tài)信息y中的航速信息uMal經(jīng)由量測(cè)單元Gm反饋至精確航速控制通道3作為反饋信號(hào)， 將UUV期望的航速指令u。。m與反饋信號(hào)Ureal的差值e作為輸入信號(hào)，并利用PID算法實(shí)施運(yùn)動(dòng)解算G。，解算后的控制量Ug輸出到運(yùn)動(dòng)控制模塊4，從而完成對(duì)UUV的精確航速控制。 在量級(jí)航速控制模式下，基于操縱性試驗(yàn)總結(jié)的航速-電壓非線性量級(jí)映射關(guān)系R，對(duì)任務(wù)控制模塊1下達(dá)的航速指令進(jìn)行解算得到控制量UR。同時(shí)，根據(jù)量測(cè)單元Gm反饋的航速信息的歷史數(shù)據(jù)計(jì)算控制周期內(nèi)的平均航速，再結(jié)合海流剖面儀測(cè)量得到的海流狀態(tài)進(jìn)行量級(jí)解算S，修正控制量Uk得到U/。解算后的控制量U/輸出到運(yùn)動(dòng)控制模塊4，從而完成對(duì)UUV的量級(jí)航速控制。
權(quán)利要求
1.一種面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置，其特征是包括任務(wù)控制模塊 (1)、量級(jí)航速控制通道O)、精確航速控制通道(3)、運(yùn)動(dòng)控制模塊(4)和感知模塊(5)；任務(wù)控制模塊⑴分別與量級(jí)航速控制通道O)、精確航速控制通道(3)、運(yùn)動(dòng)控制模塊(4) 和感知模塊( 相互連接；量級(jí)航速控制通道( 和精確航速控制通道( 均與運(yùn)動(dòng)控制模塊⑷連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置，其特征是量級(jí)航速控制通道( 和精確航速控制通道( 構(gòu)成航速控制通道。
3.一種面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制方法，其特征是由任務(wù)控制模塊(1)、量級(jí)航速控制通道O)、精確航速控制通道(3)、運(yùn)動(dòng)控制模塊 ⑷和感知模塊(5)構(gòu)成面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置；所述的任務(wù)控制模塊(1)對(duì)UUV的系統(tǒng)狀態(tài)及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控并與運(yùn)動(dòng)控制模塊 (4)進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)接收運(yùn)動(dòng)控制模塊(4)發(fā)送的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息，同時(shí)，結(jié)合UUV任務(wù)和海洋環(huán)境信息選擇航速控制方式，通過(guò)量級(jí)航速控制通道( 和精確航速控制通道( 將控制指令發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制模塊(4)；所述的量級(jí)航速控制通道( 為平均航速控制模塊，控制周期T1為IOs ；包含先前的航速-電壓調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，利用任務(wù)控制模塊(1)下達(dá)的航速指令與數(shù)字化控制量之間的非線性映射關(guān)系得到當(dāng)前航速指令的數(shù)字化控制量；同時(shí)，根據(jù)控制周期T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均航速，以及海流剖面儀測(cè)量得到的海流狀態(tài)修正之前得到的數(shù)字化控制量，并發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊；在控制周期T1內(nèi)，修正后的數(shù)字化控制量保持不變；所述的精確航速控制通道C3)為實(shí)時(shí)航速控制模塊，控制周期T2為0. 5s ；對(duì)當(dāng)前航速信息進(jìn)行反饋，利用PID算法得到當(dāng)前航速指令的數(shù)字化控制量，并發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊 (4)，使UUV航速精確的反映當(dāng)前指令航速；所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊(4)接收量級(jí)航速控制通道( 和精確航速控制通道( 下傳的數(shù)字化控制量，執(zhí)行控制指令；同時(shí)，將指令執(zhí)行情況反饋給任務(wù)控制模塊(1)；所述的感知模塊(5)負(fù)責(zé)采集UUV的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息，為UUV自主切換航速控制方式及進(jìn)行航速控制提供反饋信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種面向海洋觀測(cè)作業(yè)的UUV航速雙工控制裝置及方法。包括任務(wù)控制模塊、量級(jí)航速控制通道、精確航速控制通道、運(yùn)動(dòng)控制模塊和感知模塊；任務(wù)控制模塊分別與量級(jí)航速控制通道、精確航速控制通道、運(yùn)動(dòng)控制模塊和感知模塊相互連接；量級(jí)航速控制通道和精確航速控制通道均與運(yùn)動(dòng)控制模塊連接。感知模塊采集UUV的狀態(tài)、位姿信息及海流剖面信息經(jīng)處理后發(fā)送給任務(wù)控制模塊，運(yùn)動(dòng)控制模塊與任務(wù)控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。任務(wù)控制模塊根據(jù)當(dāng)前工況選用不同通道將與UUV當(dāng)前航速指令相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化控制量發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制模塊，進(jìn)而完成整個(gè)航速控制過(guò)程。本發(fā)明可應(yīng)用于各種無(wú)人UUV的纜控調(diào)試以及多工況自主作業(yè)時(shí)的航速控制。
文檔編號(hào)G05D1/00GK102279599SQ201110195490
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者嚴(yán)浙平, 吳迪, 周佳加, 張勛, 徐健, 邊信黔 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)