本发明涉及水下无人航行器控制，尤其涉及一种水下无人航行器低能耗定向控制方法、系统、设备及介质。
背景技术：
1、当前，船舶操纵自动控制系统中主要采用比例-积分-微分（pid）调节器作为航向自动控制策略，因此，航向速率的信号品质是影响航向自动控制品质关键因素之一。 在经典调节理论中，基于测量的航向信号，采取经典差分的方式得到航向速率信 号，也是控制领域常用的处理方法之一。续航力是衡量无人航行器性能的关键指标之一，除提升电池能量密度、改进主推进器推进效率等传统技术手段外，优化航向控制策略也是在特定推进器配置下进一步增加续航力的有效技术手段。
2、由于受到海浪、洋流等外界干扰力及传感器测量噪声的影响，无人航行器航行过程中需频繁操纵方向舵稳定航向，实现水下定向航行。频繁操纵方向舵一方面舵机会产生电力消耗，另一方面方向舵舵力的纵向分量产生了额外的航行阻力，增加了主推进器的电力消耗。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种水下无人航行器低能耗定向控制方法、系统、设备及介质，利用无人航行器航向运动预报技术和矩形双滞回非线性函数，减少方向舵操舵幅值和频率，可有效降低舵机频繁操舵带来的能源消耗和方向舵产生的航行阻力，实现低能耗航向控制，增加水下无人航行器航程。
2、本发明提供一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，包括：
3、s1：实时获取水下无人航行器的航向、方向舵舵角；
4、s2：根据航向计算航向角速率；
5、s3：根据航向角速率、方向舵舵角对航行器航向运动模型进行参数辨识；
6、s4：利用辨识后的航行器航向运动模型整定航向控制器参数，获得指令舵角；
7、s5：利用辨识后的航行器航向运动模型、方向舵舵角以及航向构建航向预报器，获得航向预报值；
8、s6：根据航向预报值，采用矩形双滞回函数优化指令舵角，实现低能耗航向控制。
9、根据本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，还包括所述s1步骤中，水下无人航行器航行过程中，通过惯性导航系统实时获取航向，通过舵角反馈机构实时获取方向舵舵角信号。
10、根据本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，还包括所述s2步骤中，根据航向计算航向角速率；航向角速率的计算表达式为：
11、
12、其中，为时刻航向测量值，为时刻航向测量值，为时刻航向角速率，为差分采样时间。
13、根据本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，还包括所述s3步骤中，根据航向角速率、方向舵舵角对航行器航向运动模型进行参数辨识；
14、航向运动模型采用一阶野本方程，计算表达式为：
15、
16、其中，为无人航行器回转性指数，为无人航行器应舵指数，为方向舵舵角，为航向角速率，为拉普拉斯算子，
17、测量的方向舵舵角数据矩阵为：
18、
19、其中，为测量的方向舵舵角数据矩阵，为时刻方向舵舵角测量值，
20、航向角速率数据矩阵为：
21、
22、其中，为航向角速率数据矩阵，为时刻的航向角速率，为时刻的航向角速率，
23、根据航向角速率数据矩阵和方向舵舵角数据矩阵计算待辨识因子，待辨识因子的计算表达式为：
24、
25、其中，为辨识因子，为求逆矩阵函数，辨识因子包含两个分量以及；
26、根据以及对航行器航向运动模型进行参数辨识，计算表达式为：
27、
28、其中，为的第一分量，为的第二分量，为辨识采样时间。
29、根据本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，还包括所述s4步骤中，利用辨识后的航行器航向运动模型整定航向控制器参数，获得指令舵角；
30、无人航行器航向运动模型整定航向控制器参数的计算表达式为：
31、
32、其中，为航向控制器比例系数，为航向控制器微分系数，为加权系数，为无人航行器回转性指数，为无人航行器应舵指数；
33、航向控制器采用pid控制器，计算表达式为：
34、
35、其中，为指令舵角，为指令航向，为积分系数，为航向，为航向角速率，为时间。
36、根据本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，还包括所述s5步骤中，利用辨识后的航行器航向运动模型、方向舵舵角以及航向构建航向预报器，获得航向预报值，构建的预报器的计算表达式为：
37、
38、其中，为预报时长，为时刻航向预报值，为时刻航向角速率预报值，为时刻航向角加速率预报值，为时刻航向角速率辅助因子，为时刻航向角速率辅助因子；为时刻航向预报值，为时刻方向舵舵角测量值，为无人航行器回转性指数，为无人航行器应舵指数。
39、根据本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，还包括所述s6步骤中，根据航向预报值，采用矩形双滞回函数优化指令舵角，实现低能耗航向控制；
40、把航向预报值通过矩形双滞回函数离散化为不连续的低频次控制指令；
41、计算舵速指令：
42、
43、其中，为舵速指令，为时刻指令舵角，为时刻指令舵角；
44、根据航向和航向预报值获得航向预报偏差，航向预报偏差的计算表达式为：
45、
46、其中，为航向预报偏差，为时刻航向测量值，为时刻航向预报值；
47、矩形双滞回函数离散化方法为：
48、
49、其中，为动舵指令，为矩形双滞回函数死区阈值，为矩形双滞回函数动舵阈值，为航向角速率。
50、一种水下无人航行器低能耗定向控制系统，用以执行一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，包括：
51、获取模块：所述获取模块用于实时获取水下无人航行器的航向、方向舵舵角；
52、计算模块：所述计算模块用于根据航向计算航向角速率；
53、辨识模块：所述辨识模块用于根据航向角速率、方向舵舵角对航行器航向运动模型进行参数辨识；
54、整定模块：所述整定模块用于利用辨识后的航行器航向运动模型整定航向控制器参数，获得指令舵角；
55、预报模块：所述预报模块用于利用辨识后的航行器航向运动模型、方向舵舵角以及航向构建航向预报器，获得航向预报值；
56、航向控制模块：所述航向控制模块用于根据航向预报值，采用矩形双滞回函数优化指令舵角，实现低能耗航向控制。
57、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法的步骤。
58、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法的步骤。
59、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
60、本发明提供的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法、系统、设备及介质，通过利用无人航行器航向运动预报技术和矩形双滞回非线性函数，减少方向舵操舵幅值和频率，可有效降低舵机频繁操舵带来的能源消耗和方向舵产生的航行阻力，实现低能耗航向控制，增加水下无人航行器航程。
61、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，所述s1步骤中，水下无人航行器航行过程中，通过惯性导航系统实时获取航向，通过舵角反馈机构实时获取方向舵舵角信号。
3.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，所述s2步骤中，根据航向计算航向角速率；航向角速率的计算表达式为：
4.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，所述s3步骤中，根据航向角速率、方向舵舵角对航行器航向运动模型进行参数辨识；
5.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，所述s4步骤中，利用辨识后的航行器航向运动模型整定航向控制器参数，获得指令舵角；
6.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，所述s5步骤中，利用辨识后的航行器航向运动模型、方向舵舵角以及航向构建航向预报器，获得航向预报值，构建的预报器的计算表达式为：
7.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，所述s6步骤中，根据航向预报值，采用矩形双滞回函数优化指令舵角，实现低能耗航向控制；
8.一种水下无人航行器低能耗定向控制系统，用以执行如权利要求1至7任一项所述的一种水下无人航行器低能耗定向控制方法，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述一种水下无人航行器低能耗定向控制方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述一种水下无人航行器低能耗定向控制方法的步骤。
