本發(fā)明涉及水下潛航器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自穩(wěn)系統(tǒng)及水下潛航器。

背景技術(shù)：

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸入，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋(negativefeedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。

當今的閉環(huán)自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)鍵的是被控變量的實際值，與期望值相比較，用這個偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。

pid控制器(proportionintegrationdifferentiation.比例-積分-微分控制器)，由比例單元p、積分單元i和微分單元d組成。通過kp，ki和kd三個參數(shù)的設(shè)定。pid控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，pid控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。

現(xiàn)有的水下潛航器，在水下潛行時，由于各水域水流的復雜多變，其姿態(tài)無法保持穩(wěn)定，影響其水下潛航任務(wù)的進行。此外，在水上控制端控制水下潛航器做出指定的移動后，水下潛航器會由于慣性作用而發(fā)生劇烈的振動，無法快速恢復穩(wěn)態(tài)，影響潛航作業(yè)的效率。所述姿態(tài)是指控制水下潛航器的roll，pitch，yaw三個角度數(shù)值變量。其中，pitch為圍繞x軸(水下潛航器寬度方向的軸線)旋轉(zhuǎn)角，也叫做俯仰角，yaw是圍繞y軸(水下潛航器高度方向的軸線)旋轉(zhuǎn)角，也叫偏航角，roll是圍繞z軸(水下潛航器長度方向的軸線)旋轉(zhuǎn)角，也叫翻滾角。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠控制水下潛航器保持姿態(tài)穩(wěn)定的自穩(wěn)系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種水下潛航器，包括如上所述的自穩(wěn)系統(tǒng)。

為達第一目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種自穩(wěn)系統(tǒng)，包括：

姿態(tài)控制模塊，用于檢測計算水下潛航器的當前姿態(tài)的當前角度數(shù)據(jù)以及當前角速度數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制信號控制水下潛航器進行姿態(tài)調(diào)整。

角度pid控制器，根據(jù)目標姿態(tài)的目標角度數(shù)據(jù)與當前角度數(shù)據(jù)的差值求解得到并輸出對應(yīng)的控制角速度數(shù)據(jù)；

角速度pid控制器，根據(jù)控制角速度數(shù)據(jù)與當前角速度數(shù)據(jù)的差值求解得到并輸出對應(yīng)的控制信號。

作為優(yōu)選，還包括第一加法器，所述第一加法器用于接收控制端所發(fā)出的目標姿態(tài)的目標角度數(shù)據(jù)以及姿態(tài)控制模塊所檢測到的當前角度數(shù)據(jù)，將目標角度數(shù)據(jù)與當前角度數(shù)據(jù)求差得到角度數(shù)據(jù)差值，并將所述角度數(shù)據(jù)差值輸出給角度pid控制器，所述角度pid控制器根據(jù)角度數(shù)據(jù)差值求解得到并輸出對應(yīng)的控制角速度數(shù)據(jù)。上述第一加法器的設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單，具體運行準確可靠。

作為優(yōu)選，還包括第二加法器，所述第二加法器用于接收角度pid控制器所發(fā)出的控制角速度數(shù)據(jù)以及姿態(tài)控制模塊所檢測到的當前角速度數(shù)據(jù)，將控制角速度數(shù)據(jù)與當前角速度數(shù)據(jù)求差得到角速度數(shù)據(jù)差值，并將所述角速度數(shù)據(jù)差值輸出給角速度pid控制器，所述角速度pid控制器根據(jù)角速度數(shù)據(jù)差值計算求解得到對應(yīng)的控制信號。上述第二加法器的設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單，具體運行準確可靠。

作為優(yōu)選，所述姿態(tài)控制模塊通過對水下潛航器的驅(qū)動電機進行動力分配從而進行所述姿態(tài)調(diào)整。

作為優(yōu)選，所述自穩(wěn)系統(tǒng)用于控制水下潛航器保持一個靜止姿態(tài)或者從一個靜止姿態(tài)調(diào)整到另一個靜止姿態(tài)。上述保持一個靜止姿態(tài)時，使得水下潛航器更加適應(yīng)于水下多變的環(huán)境，上述從一個靜止姿態(tài)調(diào)整到另一個靜止姿態(tài)使得水下潛航器的姿態(tài)切換更加穩(wěn)定可靠。

作為優(yōu)選，所述目標角度數(shù)據(jù)為水上控制端對水下潛航器所發(fā)出的控制指令。上述設(shè)置，使得操作人員對本發(fā)明自穩(wěn)系統(tǒng)的控制更加簡單方便，安全可靠。

為達另一目的，本發(fā)明提供了一種水下潛航器，包括如上所述的自穩(wěn)系統(tǒng)。

作為優(yōu)選，包括兩個主推動電機以及兩個輔助推動電機，所述姿態(tài)控制模塊根據(jù)角速度pid控制器輸出的控制信號，對兩個主推動電機以及兩個輔助推動電機進行動力分配，以使水下潛航器達到所述目標姿態(tài)。上述兩個主推動電機以及兩個輔助推動電機設(shè)置，與自穩(wěn)系統(tǒng)相配合，使得本發(fā)明的水下潛航器姿態(tài)調(diào)整更加簡單可靠，安全高效。

作為優(yōu)選，還包括壓條以及浮力調(diào)整裝置；所述壓條設(shè)置有多個，多個壓條分布固定于所述水下潛航器的機體上，用于平衡所述水下潛航器機體長度方向各處的重力；所述浮力調(diào)整裝置設(shè)置于所述水下潛航器下部，用于使得所述水下潛航器的重心位于浮心之下。上述壓條以及浮力調(diào)整裝置的配合設(shè)置，使得本發(fā)明所提供的水下潛航器在沒有外界干擾的情況下，自身可以保持于某一穩(wěn)定的姿態(tài)，其與發(fā)明所提供的自穩(wěn)系統(tǒng)相配合，提高了對本發(fā)明所提供的水下潛航器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性與可靠性。

本發(fā)明的有益效果：串聯(lián)的角度pid控制器與角速度pid控制器的配合設(shè)置，使得水下潛航器在復雜多變的水下潛行時，其姿態(tài)能夠保持穩(wěn)定，有效保證了水下潛航器水下潛航任務(wù)的進行，并且，在水上控制端控制水下潛航器做出指定姿態(tài)的移動時，水下潛航器能夠平穩(wěn)、準確高效地完成姿態(tài)的變換。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施方式提供的自穩(wěn)系統(tǒng)的流程框圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種自穩(wěn)系統(tǒng)。上述自穩(wěn)系統(tǒng)包括姿態(tài)控制模塊、角度pid控制器以及角速度pid控制器。上述姿態(tài)控制模塊用于檢測計算水下潛航器的當前姿態(tài)的當前角度數(shù)據(jù)以及當前角速度數(shù)據(jù)(以水下潛航器的roll，pitch，yaw三個角度數(shù)值變量為基準)。上述角度pid控制器具體用于根據(jù)目標姿態(tài)(水下潛航器所要達到的姿態(tài))的目標角度數(shù)據(jù)與當前角度數(shù)據(jù)的差值求解得到并輸出對應(yīng)的控制角速度數(shù)據(jù)。上述角速度pid控制器具體用于根據(jù)控制角速度數(shù)據(jù)與當前角速度數(shù)據(jù)的差值求解得到并向姿態(tài)控制模塊輸出對應(yīng)的控制信號。上述姿態(tài)控制模塊接收到上述控制信號后，根據(jù)控制信號控制水下潛航器做出相應(yīng)的動作。最終，當目標角度數(shù)據(jù)與當前角度數(shù)據(jù)相等，并且控制角速度數(shù)據(jù)與當前角速度數(shù)據(jù)相等時，水下潛航器從當前姿態(tài)變換為目標姿態(tài)。具體的，上述角度pid控制器與角速度pid控制器為本領(lǐng)域常規(guī)的pid控制器單元，其具體結(jié)構(gòu)和工作原理在此不再贅述。

本發(fā)明中，串聯(lián)的角度pid控制器與角速度pid控制器的配合設(shè)置，使得水下潛航器在復雜多變的水下潛行時，其姿態(tài)能夠保持穩(wěn)定，有效保證了水下潛航器水下潛航任務(wù)的進行，并且，在水上控制端控制水下潛航器做出指定姿態(tài)的移動時，水下潛航器能夠平穩(wěn)、準確高效地完成姿態(tài)的變換。

具體的，本實施方式的自穩(wěn)系統(tǒng)還包括第一加法器。上述第一加法器用于接收控制端所發(fā)出的目標姿態(tài)的目標角度數(shù)據(jù)以及姿態(tài)控制模塊所檢測到的當前角度數(shù)據(jù)，將目標角度數(shù)據(jù)與當前角度數(shù)據(jù)求差得到角度數(shù)據(jù)差值，并將上述角度數(shù)據(jù)差值輸出給上述角度pid控制器，上述角度pid控制器根據(jù)角度數(shù)據(jù)差值求解得到并輸出對應(yīng)的控制角速度數(shù)據(jù)。上述第一加法器的設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單，具體運行準確可靠。

更為具體的，本實施方式的自穩(wěn)系統(tǒng)還包括第二加法器。上述第二加法器用于接收角度pid控制器所發(fā)出的控制角速度數(shù)據(jù)以及姿態(tài)控制模塊所檢測到的當前角速度數(shù)據(jù)，將控制角速度數(shù)據(jù)與當前角速度數(shù)據(jù)求差得到角速度數(shù)據(jù)差值，并將所述角速度數(shù)據(jù)差值輸出給上述角速度pid控制器，上述角速度pid控制器根據(jù)角速度數(shù)據(jù)差值計算求解得到對應(yīng)的控制信號。上述第二加法器的設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單，具體運行準確可靠。

上述第一加法器與第二加法器為本領(lǐng)域中常規(guī)的加法器部件，其具體結(jié)構(gòu)與工作原理在此不再贅述。

上述自穩(wěn)系統(tǒng)用于控制水下潛航器保持一個靜止姿態(tài)的穩(wěn)態(tài)或者從一個靜止姿態(tài)調(diào)整到另一個靜止姿態(tài)。上述保持一個靜止姿態(tài)時，使得水下潛航器更加適應(yīng)于水下多變的環(huán)境，上述從一個靜止姿態(tài)調(diào)整到另一個靜止姿態(tài)使得水下潛航器的姿態(tài)切換更加穩(wěn)定可靠。

上述目標角度數(shù)據(jù)為水上控制端對水下潛航器所發(fā)出的控制指令。上述設(shè)置，使得操作人員對本發(fā)明自穩(wěn)系統(tǒng)的控制更加簡單方便，安全可靠。

本發(fā)明還提供了一種水下潛航器，具體包括如上所述的自穩(wěn)系統(tǒng)。

具體的，本發(fā)明所提供的水下潛航器包括兩個主推動電機以及兩個輔助推動電機，所述姿態(tài)控制模塊根據(jù)角速度pid控制器輸出的控制信號，對兩個主推動電機以及兩個輔助推動電機進行動力分配，以使水下潛航器達到上述目標姿態(tài)。具體的，例如，當四個推動電機呈矩形設(shè)置時，通過設(shè)置水下潛航器左右兩側(cè)推動電機驅(qū)動方向相反，從而完成yaw角度數(shù)值的調(diào)整。上述兩個主推動電機以及兩個輔助推動電機設(shè)置，與自穩(wěn)系統(tǒng)相配合，使得本發(fā)明的水下潛航器姿態(tài)調(diào)整更加簡單可靠，安全高效。

更為具體的，本發(fā)明所提供的水下潛航器還包括壓條以及浮力調(diào)整裝置；上述壓條設(shè)置有多個，多個壓條分布固定于本發(fā)明所提供的水下潛航器的機體上，用于平衡本發(fā)明所提供的水下潛航器機體長度方向各處的重力。上述浮力調(diào)整裝置設(shè)置于所述水下潛航器下部，用于使得所述水下潛航器的重心位于浮心之下。上述壓條以及浮力調(diào)整裝置的配合設(shè)置，使得本發(fā)明所提供的水下潛航器在沒有外界干擾的情況下，自身可以保持于某一穩(wěn)定的姿態(tài)，其與本發(fā)明所提供的自穩(wěn)系統(tǒng)相配合，提高了對本發(fā)明所提供的水下潛航器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性與可靠性。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。