[发明专利]一种高海况下近水面航行器运动控制方法

说明书

一种高海况下近水面航行器运动控制计算方法，根据近水面航行器应用场景，通过将水动力与航行深度相关联，建立参数摄动情况下运动模型；为了提高执行机构的响应速度和鲁棒性，提出专家控制‑改进S面算法，从而准确描述该类航行器运动模型，提高该类航行器的运动预报精度、降低运动幅度。

技术领域

本发明涉及近水面航行器运动控制领域，特别涉及一种高海况下近水面航行器运动控制计算方法。

背景技术

近水面航行器航行深度介于水面航行器(如船舶)与潜器之间(如AUV)，主体通过鳍舵控制改变航行深度，以降低波浪的影响，通过露出水面的桅杆与岸基和母船保持实时通讯。近水面航行器的结构特性和应用场景决定了其在下潜或上浮状态切换过程中吃水变化较大，吃水的大幅度变化会引起水动力性能和舵效的改变，导致水面和潜器的运动模型应用存在一定的局限性。另一方面，近水面航行器在高海况航行过程中仍然会受到波浪影响，引起自身垂荡和纵摇，影响航行安全。目前，水面航行器因具备充足的储备浮力无需设置垂直平面控制机构，其运动控制集中在水平面维度的航向保持或航迹跟踪；潜器航行深度较深，受表面波浪影响小，不存在吃水变化的问题。针对以上存在的问题，亟需建立一种适用于高海况下近水面航行器运动模型及航行稳定性控制的计算方法，提高该类航行器的运动预报精度、降低运动幅度。

论文《双尾半潜无人艇近水面运动水动力特性研究》、《双尾半潜无人艇近自由液面操纵性研究》、《半潜式航行器运动特性研究》中用于描述近水面航行器的数学模型未考虑自由液面影响下的航行器参数摄动和波浪影响。论文《Free-running tests on a self-propelled submersible multi-state vehicle model》提出了自由液面对近水面航行器舵效有影响，并未建立相应的数学模型来描述。论文《潜深对半潜器附加质量影响分析》讨论了潜深对近水面航行器附加质量的影响，并未建立波浪干扰下的运动模型。

对于近水面航行器运动控制问题的解决方法论文《基于PID控制的半潜式航行器缩比模型耐波性分析》、《滑模变结构控制在水下航行器舵机控制中的应用》所用的控制算法未考虑自由液面和波浪影响。

发明内容

本公开提供一种适用于高海况下近水面航行器的运动控制计算方法，能够准确建立近水面航行器运动模型，并对航行稳定性进行有效控制。

本公开提供的适用于高海况下近水面航行器的运动控制计算方法，包括以下步骤：

步骤S1：以航行器质心为坐标原点，定义欧拉角θ为姿态角，构建近水面航行器运动模型为：

式中，M、c、A₁、A₂、F₁、Tp、F_wave分别为质量属性矩阵、流体动力系数矩阵、前舵舵角系数矩阵、后舵舵角系数矩阵、静力矩阵、推进力矩阵、波浪干扰力矩阵，δ_b、δ_s为航行器执行结构即前、后舵，变量u、w、q、ξ、ζ、θ分别表示纵向速度、垂向速度、纵摇角速度、纵向位移、航行深度、纵摇角，形如等为各变量加速度，其中流体动力系数为航行深度和纵摇角的函数；

步骤S2：基于该运动模型，对作为执行机构的舵采用改进S面算法进行控制，执行机构输出为：

其中，δ为舵角，k₁、k₂、a为控制响应速度的参数，k₁，k₂根据实际运动响应去调节，初始值1k₁5，1k₂5，1a2，x_E为偏差、dx_E/dt为偏差变化量，Δδ为偏移纠正量。

进一步地，所述流体动力系数矩阵c根据下式计算：