CN115071926A - 一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，属于自动控制技术领域。包括建立基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务离散模型；到达卧底区域后，切换至定角下潜状态；下潜到设定高度后，切换至姿态调整状态；姿态调整结束后，切换至定高巡航状态，并检测地形平整度；检测到合适地形后，AUV停机减速，释放锚链抓底；锚链触底后，调整AUV姿态，完成卧底任务；卧底任务中始终执行故障检测，若发生故障，针对故障类型进行相应操作。本发明方式成本较低，可以实现卧底后的姿态调整，且利于二次启动。

Description

一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法。具体任务为操纵AUV平稳下潜到距离海底一定高度航行，并抛锚自由下沉卧底。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)具有隐蔽性好，作业准确度高，任务重构能力强等优势，不需要人为干预和大型的水面支持便可完成海洋监测、海底探测和水下作业等任务。然而海洋监测任务执行的周期较长，对于自身携带动力能源受限的AUV而言，无法满足长时间的定点观测任务。

1992年美国海军研究生院首先提出了这一概念，即AUV航行到设定水域后，关闭驱动电机以节约能源，通过改变浮力与重力，使AUV坐落于海洋底部进行长时间海洋环境探测与监测等工作。针对此概念，国内外研究人员提出了压载水舱式、液压支撑式、锚链式等卧底方式。为了AUV能够安全地实现卧底动作，需要设计专门的卧底控制策略。

现有的卧底控制策略主要分为以下几种，注水自由下沉卧底，控制注水卧底，下潜航行到位控制注水着陆。在已有相关的文献中，下潜航行到位控制注水着陆采用了控制注水的压载水舱的方式。该种方式成本较高，在卧底后不可调整姿态，且不利于二次启动。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的成本较高、注水控制复杂、代码实现困难、二次启动较慢等问题，本发明提供了一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法。

技术方案

一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于步骤如下：

S1：建立基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务离散模型；

S2：到达卧底区域后，切换至定角下潜状态；

S3：下潜到设定高度后，切换至姿态调整状态；

S4：姿态调整结束后，切换至定高巡航状态，并检测地形平整度；

S5：检测到合适地形后，AUV停机减速，释放锚链抓底；

S6：锚链触底后，调整AUV姿态，完成卧底任务；

S7：卧底任务中始终执行故障检测，若发生故障，针对故障类型进行相应操作。

本发明进一步的技术方案：S1具体为：建立自主水下航行器决策层锚泊卧底任务模型，所述模型由PERTI网描述为：U＝(X,∑,B,S₀)；其中库所集合X＝{P₀,P₁,…P₉}分别为：P0初始状态、P1定角下潜、P2姿态调整、P3定高巡航、P4自由下沉、P5锚链调整、P6卧底完成、P7故障检测、P8故障等待、P9紧急上浮；变迁集合∑＝{T₁,T₂,...T₉}分别为：T1到达卧底区域、T2航深满足、T3姿态满足、T4地形检测平整、T5触底检测、T6姿态检测、T7航行故障、T8危险故障、T9一般故障；通过计算B＝X×∑∪∑×X为库所与变迁之间的有向弧，表示系统的流关系，S₀＝[000000000]为系统的初始状态，表示系统的所处的状态。

本发明进一步的技术方案：S2具体为：当AUV进入区域就位后，即T1到达卧底区域，首先由定深/变深控制模式转为执行定角下潜弹道，即库所P1定角下潜，控制AUV以规定角度下潜，在下潜过程中减速以保证AUV操纵性的最低速度航行。

本发明进一步的技术方案：S3具体为：当AUV下潜到距离海底小于H+Δ时，即T2航深满足，切换为姿态调整模式，即P2姿态调整；其中，H为定高巡航高度，Δ为切换的提前量；最终将AUV从负俯仰角调整为0°俯仰角附近，完成航行器的拉平；这一阶段要求纵向控制无超调，确保AUV不会发生触底。

本发明进一步的技术方案：S4具体为：当AUV姿态调整至俯仰角为0°±2°以内时，即T3姿态满足；切换为定高巡航模式，即P3定高巡航。

本发明进一步的技术方案：S5具体为：在定高巡航过程中，AUV时刻检测海底地形平整度，利用当前及历史的多次多普勒测高仪数据，取最大值和最小值之间的差值进行判断，当检测到有平整海底地形时，即T4地形检测平整；AUV动力停机减速，切换至自由下沉，即P4自由下沉。

本发明进一步的技术方案：S6具体为：检测到AUV锚链触底后，即T5触底检测；结合自身姿态传感器信息，通过调整前后锚链的长度，调整AUV自身的姿态，即P5锚链调整；最终完成卧底任务，即P6卧底完成。

本发明进一步的技术方案：S7具体为：在整个任务过程中，如果发生航行故障，即T7航行故障；AUV会进行故障检测，即P7故障检测；根据检测到的故障危险程度分为一般故障和危险故障，即T9一般故障和T8危险故障；决定进行故障等待或是紧急上浮，即P8故障等待或P9紧急上浮。

一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

有益效果

本发明提出的一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，与现有技术相比，有益效果如下：

1、卧底姿态可调

本发明中，AUV在卧底稳定后，可以通过调整两段锚链的长度调整AUV的卧底姿态，实现期望的姿态，而利用压载水舱的方式不可以实现卧底后的姿态调整。

2、便于二次启动

本发明中，AUV在着陆稳定后，如需进行二次工作或目标攻击任务只需分离锚链系统，依靠自身正浮力自由上浮至稳定后，即可进行工作，无需等待长时间的注水/放水，错失任务时机。

3、代码转化易

本发明中，AUV的卧底任务控制策略使用了基于Petri网的离散系统建模方法，可以描述系统异步、同步、并行逻辑关系。通过对卧底过程中离散事件动态变化的清晰描述，可以有效地将控制策略转为实际代码应用在AUV上，进而在工程中实现卧底任务。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1卧底任务流程模型；

图2Petri网的库所与变迁含义；

图3AUV卧底弹道；

图4海底高程跟踪控制模式下的人工势场示意图；

图5纵平面深度变化曲线；

图6俯仰角变化曲线；

图7速度变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明依据水下航行器锚泊卧底任务需求，建立自主水下航行器决策层锚泊卧底任务模型。模型可由PERTI网描述为：U＝(X,∑,B,S₀)。其中库所集合X＝{P₀,P₁,...P₈}，变迁集合∑＝{T₁,T₂,...T₈}。通过计算B＝X×∑∪∑×X为库所与变迁之间的有向弧，表示系统的流关系，S₀＝[00000000000]为系统的初始状态，表示系统的所处的状态。

一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，示意图如1所示，步骤如下：

S1：建立自主水下航行器决策层锚泊卧底任务模型，模型可由PERTI网描述为：U＝(X,∑,B,S₀)。其中库所集合X＝{P₀,P₁,...P₉}分别为：P0初始状态、P1定角下潜、P2姿态调整、P3定高巡航、P4自由下沉、P5锚链调整、P6卧底完成、P7故障检测、P8故障等待、P9紧急上浮。变迁集合∑＝{T₁,T₂,...T₉}分别为：T1到达卧底区域、T2航深满足、T3姿态满足、T4地形检测平整、T5触底检测、T6姿态检测、T7航行故障、T8危险故障、T9一般故障。通过计算B＝X×∑∪∑×X为库所与变迁之间的有向弧，表示系统的流关系，S₀＝[000000000]为系统的初始状态，表示系统的所处的状态。

S2：当AUV进入区域就位后(T1到达卧底区域)，首先由定深/变深控制模式转为执行定角下潜弹道(库所P1定角下潜)，即控制AUV以规定角度下潜，在下潜过程中减速以保证AUV操纵性的最低速度航行。

S3：当AUV下潜到距离海底小于H+Δ时(T2航深满足)，切换为姿态调整模式(P2姿态调整)。其中，H为定高巡航高度，Δ为切换的提前量，Δ的选择应保证AUV有定角下潜切换为定高巡航时的平稳性。最终将AUV从负俯仰角调整为0°俯仰角附近，完成航行器的拉平。这一阶段要求纵向控制无超调，确保AUV不会发生触底。

S4：当AUV姿态调整至俯仰角为0°±2°以内时(T3姿态满足)，切换为定高巡航模式(P3定高巡航)。定高巡航高度H的选择应保证AUV有足够的时间和距离展开锚链。

S5：在定高巡航过程中，AUV时刻检测海底地形平整度，利用当前及历史的多次多普勒测高仪数据，取最大值和最小值之间的差值进行判断，当检测到有平整海底地形(T4地形检测平整)时，AUV动力停机减速，切换至自由下沉(P4自由下沉)。为避免过早释放锚链造成缠绕的情况，在贴近(距离海底3m时)海底时释放锚链抓底，AUV上浮收紧锚链完成卧底。

S6：检测到AUV锚链触底后(T5触底检测)，结合自身姿态传感器信息，通过调整前后锚链的长度，调整AUV自身的姿态(P5锚链调整)，最终完成卧底任务(P6卧底完成)。

S7：在整个任务过程中，如果发生航行故障(T7航行故障)，AUV会进行故障检测(P7故障检测)，根据检测到的故障危险程度分为一般故障(T9一般故障)和危险故障(T8危险故障)，决定进行故障等待(P8故障等待)或是紧急上浮(P9紧急上浮)。

在卧底完成后，若需要二次工作，只需分离锚链系统，使得AUV依靠正浮力上浮。

本发明实施例提供了一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，建立自主水下航行器决定层锚泊卧底任务DEDS模型。为了验证上述任务控制策略有效性，在本发明中还提供了如下实施例。

选取勇毅AUV流体外形参数，进行卧底任务仿真。

仿真初始状态为到达卧底区域，卧底任务参数已加载。此时AUV切换至定角下潜模式，根据设定的俯仰角参数-10°控制AUV进行平稳下潜。同时推进器降低转速，保证AUV以满足操纵性的最低速度进行下潜，此处控制算法采用自适应滑模控制。

下潜至设定深度以上3m处，该参数与AUV回转半径有关，根据试验得出，需大于回转半径。此时切换至姿态调整模式，将AUV的俯仰角拉平。在姿态传感器检测到AUV已进行平稳运行后，切换至定高巡航模式。

根据AUV多普勒检测到的距离海底高度和深度传感器获得的深度信息，开始对海底地形进行跟踪。在定高航行模式下，要求自导AUV保持与海底的高度航行。在这种模式下，必须在跟踪高度的同时考虑航行深度的约束，即航行器壳体的耐压性决定了航行深度不能超过一定的范围，同时如果航行深度过小，则增加了出水的可能，尤其在海面风浪较大的情况下，并且会危害航行的稳定性，此处采用基于人工势场的控制算法，运动规划层计算参考指令，动力学负责驱动水平舵，如图4所示。

在定高巡航过程中，AUV时刻检测海底地形平整度，当检测到有平整海底地形时，AUV动力停机减速，切换至自由下沉。为避免过早释放锚链造成缠绕的情况，在贴近海底时释放锚链抓底，AUV整体变为正浮力，上浮收紧锚链完成卧底。

图5，图6，图7分别表示整个卧底过程中的纵平面深度变化曲线、俯仰角变化曲线、速度变化曲线。在基于滑模自适应控制的动力学控制下，AUV可以保持相应的俯仰角及速度下潜；在基于人工势场的运动规划控制下，UUV的航行轨迹与海底地形剖面基本吻合，满足性能要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于步骤如下：

S1：建立基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务离散模型；

S2：到达卧底区域后，切换至定角下潜状态；

S3：下潜到设定高度后，切换至姿态调整状态；

S4：姿态调整结束后，切换至定高巡航状态，并检测地形平整度；

S5：检测到合适地形后，AUV停机减速，释放锚链抓底；

S6：锚链触底后，调整AUV姿态，完成卧底任务；

S7：卧底任务中始终执行故障检测，若发生故障，针对故障类型进行相应操作。

2.根据权利要求1所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S1具体为：建立自主水下航行器决策层锚泊卧底任务模型，所述模型由PERTI网描述为：U＝(X,∑,B,S₀)；其中库所集合X＝{P₀,P₁,...P₉}分别为：P0初始状态、P1定角下潜、P2姿态调整、P3定高巡航、P4自由下沉、P5锚链调整、P6卧底完成、P7故障检测、P8故障等待、P9紧急上浮；变迁集合∑＝{T₁,T₂,...T₉}分别为：T1到达卧底区域、T2航深满足、T3姿态满足、T4地形检测平整、T5触底检测、T6姿态检测、T7航行故障、T8危险故障、T9一般故障；通过计算B＝X×∑∪∑×X为库所与变迁之间的有向弧，表示系统的流关系，S₀＝[000000000]为系统的初始状态，表示系统的所处的状态。

3.根据权利要求2所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S2具体为：当AUV进入区域就位后，即T1到达卧底区域，首先由定深/变深控制模式转为执行定角下潜弹道，即库所P1定角下潜，控制AUV以规定角度下潜，在下潜过程中减速以保证AUV操纵性的最低速度航行。

4.根据权利要求3所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S3具体为：当AUV下潜到距离海底小于H+Δ时，即T2航深满足，切换为姿态调整模式，即P2姿态调整；其中，H为定高巡航高度，Δ为切换的提前量；最终将AUV从负俯仰角调整为0°俯仰角附近，完成航行器的拉平；这一阶段要求纵向控制无超调，确保AUV不会发生触底。

5.根据权利要求4所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S4具体为：当AUV姿态调整至俯仰角为0°±2°以内时，即T3姿态满足；切换为定高巡航模式，即P3定高巡航。

6.根据权利要求5所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S5具体为：在定高巡航过程中，AUV时刻检测海底地形平整度，利用当前及历史的多次多普勒测高仪数据，取最大值和最小值之间的差值进行判断，当检测到有平整海底地形时，即T4地形检测平整；AUV动力停机减速，切换至自由下沉，即P4自由下沉。

7.根据权利要求6所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S6具体为：检测到AUV锚链触底后，即T5触底检测；结合自身姿态传感器信息，通过调整前后锚链的长度，调整AUV自身的姿态，即P5锚链调整；最终完成卧底任务，即P6卧底完成。

8.根据权利要求7所述的基于Petri网的自主水下航行器锚泊卧底任务控制方法，其特征在于S7具体为：在整个任务过程中，如果发生航行故障，即T7航行故障；AUV会进行故障检测，即P7故障检测；根据检测到的故障危险程度分为一般故障和危险故障，即T9一般故障和T8危险故障；决定进行故障等待或是紧急上浮，即P8故障等待或P9紧急上浮。

9.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。

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