﻿ 深潜救生艇航行控制系统研究与实现
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (9): 57-62    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.09.012 PDF

1. 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082;
2. 深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214082;
3. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082

Research and implementation on navigation control system for DSRV
ZHANG Wei1,3, ZHENG Peng1,3, XIE Fei1,3, LI De-jun1,3, YANG Shen-shen1,3, HU Zhen1,3
1. State Key Laboratory of Deepsea Manned Vehicle, Wuxi 214082, China;
2. TaiHu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, China;
3. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China
Abstract: Deep submergence rescue vehicle (DSRV) is a kind of self-propelled rescue equipment without cables. Aiming at the navigation control demand of DSRV, the navigation control system is studied, the system architecture is constructed, the mathematical model of DSRV motion is established, the hardware and software are designed, and the simulation and test are carried out. The results of semi-physical simulation and sea test prove that the navigation control system is stable and reliable, the automatic control precision is high, and the navigation control demand is satisfied.
Key words: DSRV     navigation control     auto direction     auto depth
0 引　言

1 总体结构设计

 图 1 航行控制系统总体结构图 Fig. 1 General structure of navigation control system
2 运动建模 2.1 坐标系及坐标变换

 图 2 大地坐标系和运动坐标系 Fig. 2 Earth coordinate and motion coordinate

 ${T_v} = \left( \begin{gathered} \cos \varphi \cos \theta \cos \varphi \sin \phi \sin \theta -\\ \cos \phi \sin \varphi \cos \varphi \cos \phi \sin \theta + \sin \varphi \sin \phi \hfill \\ \sin \varphi \cos \theta \cos \varphi \cos \phi +\\ \sin \varphi \sin \phi \sin \theta \cos \phi \sin \varphi \sin \theta - \cos \varphi \sin \phi \hfill \\ - \sin \theta \cos \theta \sin \phi \cos \theta \cos \phi \hfill \\ \end{gathered} \right) 。$ (1)

 ${T_v}^{ - 1} = {T_v}^{\rm{T}}。$ (2)
2.2 空间运动方程

 $\left\{\begin{array}{l} X=m[\dot{u}-v r+w q-x_{G}\left(q^{2}+r^{2}\right)+\\y_{G}(p q-\dot{r})+z_{G}(p r+\dot{q})] ，\\ Y=m[\dot{v}-w p+u r-y_{G}\left(r^{2}+p^{2}\right)+\\ z_{G}(q r-\dot{p})+x_{G}(q p+\dot{p})] ，\\ Z=m[\dot{w}-u q+v p-z_{G}\left(p^{2}+q^{2}\right)+\\ x_{G}(r p-\dot{q})+y_{G}(p p+\dot{p})] ，\\ K=I_{x} \dot{p}+\left(I_{z}-I_{y}\right) q r+\\ m\left[y_{G}(\dot{w}+v p-u q)-z_{G}(\dot{v}+u r-w p)\right] ，\\ M=I_{y} \dot{q}+\left(I_{x}-I_{z}\right) r p+\\ m\left[z_{G}(\dot{u}+w q-w)-x_{G}(\dot{w}+v p-u q)\right] ，\\ N=I_{z} \dot{r}+\left(I_{y}-I_{x}\right) p q+\\ m[x_{G}(\dot{v}+u r-w p)-y_{G}(\dot{u}+w q-w)]。\end{array}\right.$ (3)

 \begin{aligned}[b] & X = m(\dot u - vr)，\\ & Y = m(\dot v + ur) ，\\ & Z = m\dot w ，\\ & N = {I_z}\dot r 。\end{aligned} (4)

3 主控单元设计 3.1 硬件设计

 图 3 主推控制单元硬件结构图 Fig. 3 Hardware structrue of main thrusters control unit
3.2 软件设计 3.2.1 软件结构

 图 4 主推控制单元软件结构图 Fig. 4 Software structure of main thrusters control unit
3.2.2 软件流程

 图 5 主推控制单元软件流程图 Fig. 5 Software flow char of main thrusters control unit
3.2.3 自动控制算法实现

 图 6 自动定向闭环控制原理图 Fig. 6 Auto direction close-loop control schematic

1） D_Set<=180，D_Now>=0且D_Now<= D_Set+180，Error=D_Set-D_Now；

2） D_Set<=180，D_Now> D_Set+180，Error=D_Set-D_Now+360；

3） D_Set>180，D_Now>=0且D_Now< = D_Set-180，Error=D_Set-D_Now-360；

4） D_Set>180，D_Now>D_Set-180，Error=D_Set-D_Now。

4种情况下Error值都被换算到–180°～180°范围内，当Error>0时，执行右转，Error<0时，执行左转。在实际程序处理时，为了防止推进器频繁启动，根据自动定向精度要求，设置了±0.5°的死区，误差在死区内，认为定向目标已达到，推进器不动作，主要是避免推进器频繁的启动。控制推进器转速的比例阀控制量则由PID算法解算得到。自动定向模块软件流程图如图7所示。

 图 7 自动定向程序流程图 Fig. 7 Flow chart of auto direction program

 图 8 海上试验 Fig. 8 Sea test
4 试验验证

4.1 自动定向

 图 9 自动定向控制曲线 Fig. 9 Auto direction control curve
4.2 自动定深

 图 10 自动定深控制曲线 Fig. 10 Auto depth control curve
5 结　语

 [1] 付本国, 孟庆鑫, 刘汉明. 深潜救生艇现状及发展趋势[J]. 海洋工程, 2007(4): 120-126. DOI:10.3969/j.issn.1005-9865.2007.04.021 [2] 刘忠铭. 国外援潜救生装备体系及发展[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(3): 135-140. LIU Zhong-ming. The development of submarine rescue equipment in foreign countries[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(3): 135-140. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2011.03.033 [3] 侯恕萍, 严浙平. 深潜救生艇的现状及发展趋势[J]. 船舶工程, 2004(4): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.1000-6982.2004.04.001 [4] 王海涛, 姜升俊. 美国潜艇救生潜水再加压系统浅析[J]. 船舶, 2019, 30(2): 106-113. [5] 王海涛, 姜升俊. 模块化救援装备技术特点及装船技术要求初探[J]. 船舶, 2019, 30(5): 124-132. [6] 刘峰, 韩端锋. 基于参数自适应深潜救生艇姿态控制研究[J]. 中国造船, 2015, 56(1): 41-49. LIU Feng, HAN Duan-feng. Research on attitude control of DSRV based on parameter adaptive[J]. Shipbuilding of China, 2015, 56(1): 41-49. DOI:10.3969/j.issn.1000-4882.2015.01.005 [7] 张辉, 胡勇, 杨洪松. 我国发展缆控式深潜救生艇的关键技术和方案探讨[J]. 海洋技术学报, 2014, 33(2): 118-122. ZHANG Hui, HU Yong, YANG Hong-song. Development of cable-controlled deep submersible rescue vehicles in china: key technologies and primary schemes[J]. Journal of Ocean Technology, 2014, 33(2): 118-122. [8] SUN Yu-shan, RAN Xiang-rui. Distributed control system architecture for deep submergence rescue vehicles[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering , 2019,(11): 274−284. [9] 牟少芳. 深潜救生艇操纵训练模拟器控制系统研究与实现[D]. 青岛: 青岛理工大学, 2017. [10] 李彩风, 张晓芳, 孙振杰. 基于虚拟样机的深潜救生艇对接装置设计[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(2A): 208-210. LI Cai-feng, ZHANG XIao-fang, SUN Zhen-jie. Design of docking device for deep submarine lifeboat based on virtual prototype[J]. Ship Science and Technology, 2019, 41(2A): 208-210. [11] 何斌, 万磊, 等. 深潜救生艇位姿控制系统研究[J]. 船舶工程, 2011, 33(S2): 115-119. HE Bin, WAN Lei, et al. Research on position and attitude control system of deep submergence rescue vehicle[J]. Ship Engineering, 2011, 33(S2): 115-119. [12] 张晓棠. 深潜救生艇作业过程虚拟控制系统研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2011. [13] SUN Yu-san, RAN Xiang-rui,CAO Jian, et al. Deep submergence rescue vehicle docking based on parameter adaptive control with acoustic and visual guidance[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2020, 17(2): 1-14. [14] 施生达. 潜艇操纵性[M]. 北京: 国防工业出版社. 1995. [15] 甘永. 小型水下运载器运动控制系统体系结构的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2007. [16] 张伟. 一种小型水下运载器控制技术研究[D]. 无锡: 中国船舶科学研究中心, 2014.