[发明专利]无人艇滚转-航向协调增稳控制系统及方法

权利要求书

1.一种无人艇滚转-航向协调增稳控制系统，其特征在于：包括推进部、推进控制部、滚转增稳部、尾舵部、偏航增稳部和耦合控制部，其中，

推进部包括左变距螺旋桨(2)、左驱动机构(21)、右变距螺旋桨(3)和右驱动机构(31)，并有：

所述左驱动机构(21)驱动左变距螺旋桨(2)，所述右驱动机构(31)驱动右变距螺旋桨(3)，所述左变距螺旋桨(2)和右变距螺旋桨(3)旋转方向相反，在产生推力的同时，通过桨距差动和转速差动产生滚转力矩；

滚转增稳部包括滚转角速度陀螺(6)、滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)，并有：滚转角速度指令器(61)和滚转角速度控制器(62)依次连接至推进部，滚转角速度陀螺(6)连接至滚转角速度控制器(62)；

尾舵部包括左舵(4)、左舵机(41)、右舵(5)和右舵机(51)，并有：左舵机(41)用于驱动左舵(4)，右舵机(51)用于驱动右舵(5)，左舵(4)和右舵(5)同步偏转，共同产生偏航力矩；

偏航增稳部包括偏航角速度陀螺(7)、偏航角速度指令器(71)和偏航角速度控制器(72)，并有：偏航角速度指令器(71)和偏航角速度控制器(72)依次连接至和尾舵部，偏航角速度陀螺(7)连接至偏航角速度控制器(72)；

耦合控制部包括滚转-偏航耦合控制器(81)和偏航-滚转耦合控制器(82)，其中，滚转-偏航耦合控制器(81)与滚转角速度指令器(61)和偏航角速度控制器(72)相连，用于产生滚转对偏航的耦合控制；偏航-滚转耦合控制器(82)与偏航角速度指令器(71)和滚转角速度控制器(62)相连，用于产生偏航对滚转的耦合控制。

2.一种无人艇滚转-航向协调增稳控制方法，其特征在于：包括权利要求1所述的无人艇(1)减摇增稳系统，还包括滚转角速度增稳和控制、偏航角速度增稳和控制，以及滚转-偏航耦合控制的步骤，其中，

(1)滚转角速度增稳和控制用于保持期望的滚转角速度，具体步骤包括：

滚转角速度指令器(61)与上位机相连，根据上位机给出的滚转角误差eφ产生滚转角速度指令uP，并发送给滚转角速度控制器(62)；

同时，滚转角速度陀螺(6)检测无人艇(1)的滚转角速度P，并发送给滚转角速度控制器(62)；

然后，滚转角速度控制器(62)根据滚转角速度指令uP和滚转角速度P，计算滚转角速度误差eP；滚转角速度控制器(62)根据滚转角速度误差eP生成滚转角速度增稳指令uLat_P；

(2)偏航角速度增稳和控制用于保持期望的偏航角速度，具体步骤包括：

偏航角速度指令器(71)与上位机相连，根据上位机给出的偏航角误差eψ产生偏航角速度指令uR，并发送给偏航角速度控制器(72)；

同时，偏航角速度陀螺(7)检测无人艇(1)的偏航角速度R，并发送给偏航角速度控制器(72)；

然后，偏航角速度控制器(72)根据偏航角速度指令uR和偏航角速度R，计算偏航角速度误差eR；接着，偏航角速度控制器(72)根据偏航角速度误差eR生成偏航角速度增稳指令uRud_R；

(3)滚转-偏航耦合控制包括滚转-偏航耦合和偏航-滚转耦合两部分，其中，

滚转-偏航耦合控制具体步骤包括：

滚转-偏航耦合控制器(81)与偏航角速度指令器(71)相连，根据偏航角速度指令器(71)生成的偏航角速度指令uR，计算得到滚转耦合指令uLat_R，以辅助滚转控制；

在滚转增稳指令uLat_P和滚转耦合指令uLat_R的基础上，合成得到滚转指令uLat；根据滚转指令uLat，得到螺旋桨桨距增量控制指令uΔθ＝λ₁uLat和转速增量指令uΔΩ＝λ_ΩuLat；进而获得左变距螺旋桨(2)的桨距增量控制指令uΔθ_L＝uΔθ和右变距螺旋桨(3)的桨距增量控制指令uΔθ_R＝-uΔθ，其中uΔθ_L和uΔθ_R大小相等，方向相反；以及左驱动机构(21)的转速增量指令uΔΩ_L＝uΔΩ和uΔΩ_R＝-uΔΩ，其中uΔΩ_L和uΔΩ_R大小相等，方向相反；和为操纵功效因子，分别用于增量控制指令uΔθ和转速增量指令uΔΩ的功效；λ_θ和λ_Ω为0表征完全失效，为1表征完全有效；

偏航-滚转耦合控制具体步骤包括：

偏航-滚转耦合控制器(82)与滚转角速度指令器(61)相连，根据滚转角速度指令器(61)生成的滚转角速度指令uP，计算得到偏航耦合指令uRud_P；在偏航耦合指令uRud_P与偏航控制指令uRud_R的基础上，合成得到偏航指令uRud；偏航指令uRud得到相同的舵面控制指令uδ_L和uδ_R；偏航角速度控制器(72)将uδ_L和uδ_R发送给尾舵部的左舵机(41)和右舵机(51)，在uδ_L和uδ_R的作用下，左舵(4)和右舵(5)同步偏转，产生偏航力矩N_R和对应的偏航角速度R，实现了偏航角速度增稳和控制。