一种小型空投水下航行器导航控制系统及方法与流程

本发明涉及海水下航行器导航控制，具体涉及一种小型空投水下航行器导航控制系统及方法。

背景技术：

1、小型空投水下航行器具有较小的体积重量，在探索和开发海洋中承担越来越重要的作用，随着各类探测或采集需求装备对水下航行器的带载能力提出了更高的要求，在初始布放接口尺寸不变的前提下，入水后可伸长，具有较高带载能力的水下航行器，取得了越来越广泛的应用。

2、小型空投水下航行器由飞机投下水下进行作业时，需等到航行进入水下之后进行推进器的加电，且在航行器的水下姿态稳定后，进行航位推算和控制。现有的对小型空投航行器航位推算和姿态控制过程中，主要存在以下问题：

3、首先，空投入水后的瞬时，航行器伸长，此时航行器姿态俯仰变化较大，此时，对推进器加电时间不可过早，如果过早，航行器俯仰较大，头部向下，对控制不利，当海域深度较浅，可能使航行器触碰海底。对推进器加电时间也不能太晚，若太晚，在正浮力作用下，航行器很可能已经浮出水面，影响后续控制和任务的完成；

4、其次，小型空投水下航行器在空投时刻需设定入水位置，实际上由于飞机运动、风的影响等，入水点可能并不是该设定点，入水后到航行器的开始航位推算前，航行器由于自身入水冲击、水流、初始时段的加电运动等，会产生一定的空间位移，在水下航行器导航控制中，对该段时间航行器的位移获取精度较低。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其包括检测航行器姿态的mems姿态测量模块；对航行器入水前的位置进行定位的卫星定位模块；对航行器进行入水检测、推进器加电条件判断、稳定初始位置推算、航位推算、航行器姿态控制的中央控制模块；设置有推进器、若干方向舵，并根据中央控制模块的指令通过推进器、方向舵对航行器进行姿态调整的执行机构模块。

2、优选的方案中，所中央控制模块设置有入水传感器，实时检测航行器的入水状态，中央控制模块实时采集mems姿态测量模块检测的航行器的横滚角和俯仰角数据，并与设定的阈值区间比较；当航行器入水成立，且同时横滚角和俯仰角均落入阈值区间条件成立，中央控制模块控制推进器加电。

3、优选的方案中，横滚角的阈值区间为[-40°，+40°]，俯仰角的阈值区间为[-60°，+60°]。

4、优选的方案中，中央控制模块设置入水后经过时间h的时刻t0为航行器的稳定初始位置，根据采集的卫星定位模块定位的入水初始位置，以及积分推算航行器运动到t0时刻的空间轨迹，确定航行器的稳定实始位置，具体过程包括：中央控制模块在入水时刻采集卫星定位模块给出的航行器位置和速度后，立即开展惯性积分计算，确定航行器在时间h内的空间轨迹及t0时刻航行器的稳定初始位置。

5、优选的方案中，积分计算的时间h为30s。

6、优选的方案中，中央控制模块设置有三个姿态控制通道控制航行器进行定深变深运动、定向变向运动、加速减速运动，所述三个姿态控制通道包括横滚通道、俯仰通道、航向通道，其中横滚通道采用常规pid控制器实现横滚抑制，俯仰通道采用常规pid控制器实现深度和俯仰控制，航向通道采用滑模变结构控制器以抑制周期性航向扰动和不确定性水流扰动。

7、优选的方案中，卫星定位模块包括若干以背对背方式设置在航行器不同位置上的定位天线一、定位天线二，所述定位天线一、定位天线二沿航行器纵轴对称均匀分布，当航行器垂直下落时，定位天线一、定位天线二指向天空并接收不同的方向的卫星信号。

8、本发明所达到的有益效果为：

9、第一、本发明在航行器内部设置了mems姿态测量模块，航行器空投入水前和投水下之后，该模块实时不断检测航行器的横滚角和俯仰角，航行器入水后经历了竖直、侧倾、水平等过程，并伴有较大的姿态震荡，期间横滚和俯仰都变化极大。本发明一方面不断检测mems姿态测量模块给出的横滚角和俯仰角，另一方面不断检测入水传感器给出的入水状态，当检测到航行器入水，且横滚角和俯仰角同时满足设定的阈值区间，给推进器加电，航行器开始受控运动，可有效避免航行器触碰海底或冲出水面，保障航行器安全稳定运行；

10、第二、本发明在航行器本体上沿纵轴对称均匀分布加装有多天线，当航行器垂直下落时，天线指向天空并接收不同的方向的卫星信号，可有效对航行器进行入水前定位，为航行器提供高精度的入水点位置信息。

11、第三、本发明根据mems姿态测量模块参数设定了满足航行器完成入水姿态调整、推进器加电和航向调整的时间h，入水后h时间内，航向姿态测量系统进行积分计算，获得入水后的航行轨迹，该过程实现了对入水初始位置的修正，能够获得更精确的稳定初始位置。

技术特征：

1.一种小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其特征在于，其包括：

2.根据权利要求1所述的小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其特征在于：中央控制模块设置有入水传感器，实时检测航行器的入水状态，中央控制模块实时采集mems姿态测量模块检测的航行器的横滚角和俯仰角数据，并与设定的阈值区间比较；当航行器入水成立，且同时横滚角和俯仰角均落入阈值区间条件成立，中央控制模块控制推进器加电。

3.根据权利要求2所述的小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其特征在于：横滚角的阈值区间为[-40°，+40°]，俯仰角的阈值区间为[-60°，+60°]。

4.根据权利要求1所述的小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其特征在于：中央控制模块设置入水后经过时间h的时刻t0为航行器的稳定初始位置，根据采集的卫星定位模块定位的入水初始位置，以及积分推算航行器运动到t0时刻的空间轨迹，确定航行器的稳定实始位置，具体过程包括：中央控制模块在入水时刻采集卫星定位模块给出的航行器位置和速度后，立即开展惯性积分计算，确定航行器在时间h内的空间轨迹及t0时刻航行器的稳定初始位置。

5.根据权利要求4所述的小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其特征在于：积分计算的时间h为30s。

6.根据权利要求1所述的小型空投水下航行器导航控制系统，其特征在于：中央控制模块设置有三个姿态控制通道控制航行器进行定深变深运动、定向变向运动、加速减速运动，所述三个姿态控制通道包括横滚通道、俯仰通道、航向通道，其中：

7.根据权利要求1所述的小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其特征在于：卫星定位模块包括若干以背对背方式设置在航行器不同位置上的定位天线一、定位天线二，所述定位天线一、定位天线二沿航行器纵轴对称均匀分布，当航行器垂直下落时，定位天线一、定位天线二指向天空并接收不同的方向的卫星信号。

技术总结本发明涉及海工装备技术领域，提供一种小型空投水下航行器导航控制系统及方法，其包括检测航行器姿态的MEMS姿态测量模块；对航行器入水前的位置进行定位的卫星定位模块；对航行器进行入水检测、加电条件判断、初始位置推算等的中央控制模块；设置有推进器、若干方向舵，并根据中央控制模块的指令通过推进器、方向舵对航行器进行姿态调整的执行机构模块。本发明一方面不断检测MEMS姿态测量模块给出的横滚角和俯仰角，另一方面不断检测入水传感器给出的入水状态，准确控制推进器的上电时间，可有效避免航行器触碰海底或冲出水面，保障航行器安全稳定运行；此外，本发明实现了对入水初始位置的修正，能够获得更精确的稳定初始位置。技术研发人员：李璟璟,姜春晓,刘金胜,陈双,万胜伟,吴德祥,宫超林受保护的技术使用者：山东航天电子技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18