本发明属于水下航行器，尤其涉及一种高精度的水下航行器悬停控制方法。
背景技术：
1、随着“海洋强国”战略的提出，发展海洋、认识海洋、经略海洋已经变得越来越重要。海洋科学研究对于更好地认识海洋自然现象具有重要的现实意义。水下航行器平台技术由于其续航能力强、航程远、隐蔽性强等特点，适合海洋生物、化学、物理等参数的测量工作，是最常用的水下移动观测平台之一。水下航行器悬停观测能够提高水下作业的效率和质量，满足多种复杂任务的需求，具有广阔的应用前景。然而，水下环境复杂多变，水下航行器受到多种干扰和噪声的影响，导致其定位精度低、运动不稳定、能耗大等问题，给悬停控制带来了很大的困难。
2、水下航行器悬停控制方法涉及多个学科和领域，如控制理论、导航定位、传感器技术、机器人学、人工智能等，是一门综合性很强的交叉学科。目前，国内外学者已经提出了多种水下航行器悬停控制方法，主要包括以下几类：基于pid控制的方法、基于模糊控制的方法、基于神经网络的方法和基于滑模变结构控制的方法。这些方法虽然在一定程度上解决了悬停控制问题，但仍存在着难以精确控制深度和控制方法冗长复杂等问题。
3、基于pid控制的方法通过比例、积分和微分控制器来调整航行器的位置和姿态。然而，pid控制在面对复杂和非线性的水下环境时，难以保持高精度的控制效果。其主要弊端在于对环境变化的适应性差，参数调节困难，特别是在受到强烈干扰时，容易导致控制精度降低和系统不稳定。基于模糊控制的方法通过引入模糊逻辑来处理不确定性和非线性问题。虽然模糊控制在处理复杂系统方面具有优势，但其设计过程依赖于专家经验和规则库的构建，这使得系统设计复杂且不易调试。此外，模糊控制的鲁棒性在面对极端环境条件时仍有待提高。基于神经网络的方法利用神经网络的自学习和自适应能力，能够较好地处理复杂和非线性的控制问题。然而，神经网络方法需要大量的数据进行训练，而在水下环境中获取高质量数据存在困难。同时，神经网络的实时性和计算资源需求较高，使其在实际应用中面临挑战。基于滑模变结构控制的方法具有较强的鲁棒性，能够很好地应对系统的不确定性和外界干扰。然而，滑模控制方法在实际应用中容易产生抖振现象，影响系统的稳定性和控制精度。解决抖振问题的方法往往会增加控制算法的复杂度，降低系统的实时性和响应速度。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种旨在解决现有水下航行器悬停控制方法难以精确控制深度和控制方法冗长复杂等问题的水下航行器悬停控制方法。
2、本发明是这样实现的，一种水下航行器高精度悬停控制方法，其特征在于：所述水下航行器包括浮力调节系统和俯仰调节系统，控制方法包括：通过水下航行器设定的目标深度和当前深度控制浮力系统工作，实现水下航行器在目标深度的重力和浮力相匹配；通过水下航行器的当前姿态角控制俯仰调节系统工作，实现水下航行器在预定深度的姿态对正。
3、在上述技术方案中，优选的，所述的水下航行器包括水下航行器机身、控制单元、浮力调节系统、深度传感器、能源单元、姿态调节单元、通讯定位单元、垂直尾舵和水平舵、推进器单元。
4、在上述技术方案中，优选的，该方法包括下潜定深阶段和俯仰姿态调节阶段：
5、在所述下潜阶段中，定义目标深度为de、当前深度为d、当前速度为v、速度门限为v1、v2、v3；当水下航行器下潜至距离目标深度d1时，转入水下定深前浮力系统调节阶段，推进器单元关闭，之后持续检测当前深度与目标深度的关系，并根据深度变化计算水下航行器当前下潜速度v，根据当前速度v与各个速度门限的关系，调节浮力调节系统；
6、当d3≤|de-d|≤d2时，若d<de，且v>v1，则控制浮力调节系统排油1％；
7、当d3≤|de-d|≤d2时，若d<de，且v<v2，则控制浮力调节系统回油1％或高压电磁阀上电100ms；
8、当d3≤|de-d|≤d2时，若d<de，且v2<v<v1，则继续下潜，不操作浮力系统；
9、当d3≤|de-d|≤d2时，若d≥de，且v>v3，则控制浮力调节系统排油1％；
10、当d3≤|de-d|≤d2时，若d≥de，且v≤v3，则继续下潜，不操作浮力系统；
11、当0≤|de-d|≤d3时，若v>v3，则控制浮力调节系统排油1％，直到v<v3，并判断连续30sv<v3，此时认为定深前浮力系统调节完成，开始进入定深航行阶段；
12、其中，d1、d2和d3为当前深度d与目标深度d深度差的门限值；
13、在所述姿态调节阶段中，取当前水下航行器俯仰姿态角度为φ，当水下航行器的艏部高于艉部时，φ为正值，反之为负值，设定目标俯仰姿态角度为φ0，俯仰姿态角度的实时测量值为φ1，之后每隔时间周期t检测当前姿态角度与目标姿态角度的关系，并实时监测水下航行器抚养姿态角度为φ；
14、当φ0-φ≤-1时，水下航行器俯仰姿态调节单元工作，移动重物向水下航行器艏部移动距离k1×(φ0-φ)；
15、当|φ0-φ1|≤1，水下航行器俯仰姿态调节单元停止动作；
16、当φ0-φ≥1时，水下航行器俯仰姿态调节单元工作，移动重物向水下航行器艉部移动距离k1×(φ0-φ)；k1为水平舵比例控制系数；
17、当俯仰姿态调节单元不再动作后，进行预定的悬停观测任务。
18、提出了一种基于浮力调节系统和俯仰调节系统的水下航行器高精度悬停控制方法，该方法在解决水下环境复杂多变和干扰多样的问题上具有显著优势。
19、首先，该方法利用浮力调节系统实现高精度的深度控制。浮力调节系统具有较大的滞后性，但通过精确的方法设计和优化，可以在预定深度实现高精度的悬停。这一系统的核心优势在于其逻辑简单，对主控要求低，能够在保证控制精度的同时减少系统的复杂度，降低对控制器硬件性能的需求，从而提高系统的可靠性和稳定性。
20、其次，俯仰调节系统用于调整航行器的姿态，使其在水中保持稳定。通过俯仰调节，航行器可以在复杂的水下环境中保持平衡，抵抗外界干扰。这一系统的优势在于其响应速度快，能够迅速纠正姿态偏差，保持航行器的稳定性和精确度。
21、两者结合，浮力调节系统和俯仰调节系统相互配合，使得水下航行器在悬停过程中能够兼顾深度和姿态的双重控制。这样的组合大大提高了悬停的精度和稳定性，即使在存在较大滞后性的情况下，仍能达到理想的悬停效果。
22、此外，该方法在设计上考虑了能源效率。由于浮力调节系统和俯仰调节系统的控制逻辑简单，对主控系统的要求较低，这意味着航行器的电池消耗可以显著减少。电池寿命的延长直接提升了航行器的续航能力，使其能够进行更长时间的观测任务，增加了任务的有效性和数据收集的连续性。
23、该方法的另一个重要优点是其适应性强。无论是在浅海还是深海环境中，浮力调节和俯仰调节系统都能够灵活应对不同的水下条件，保证航行器的悬停效果。特别是在面对强流、湍流等复杂水文条件时，这种高精度的悬停控制方法依然能够保持优异的表现。
24、综上所述，基于浮力调节系统和俯仰调节系统的水下航行器高精度悬停控制方法，具有逻辑简单、对主控要求低、减少电池消耗、适应性强等多方面的优点。其在提高水下航行器悬停精度和稳定性的同时，也提升了系统的能源效率和可靠性，具有广阔的应用前景和重要的现实意义。
1.一种水下航行器高精度悬停控制方法，其特征在于：所述水下航行器包括浮力调节系统和俯仰调节系统，控制方法包括：通过水下航行器设定的目标深度和当前深度控制浮力系统工作，实现水下航行器在目标深度的重力和浮力相匹配；通过水下航行器的当前姿态角控制俯仰调节系统工作，实现水下航行器在预定深度的姿态对正。
2.根据权利要求1所述的水下航行器高精度悬停控制方法，其特征在于，所述的水下航行器包括水下航行器机身、控制单元、浮力调节系统、深度传感器、能源单元、姿态调节单元、通讯定位单元、垂直尾舵和水平舵、推进器单元。
3.根据权利要求2所述的水下航行器高精度悬停控制方法，其特征在于，该方法包括下潜定深阶段和俯仰姿态调节阶段：
