本发明涉及水下潜航器技术领域，尤其涉及一种自稳系统及水下潜航器。
背景技术：
闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)是指被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输入，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(negativefeedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。
pid控制器(proportionintegrationdifferentiation.比例-积分-微分控制器)，由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成。通过kp，ki和kd三个参数的设定。pid控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，pid控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。
现有的水下潜航器，在水下潜行时，由于各水域水流的复杂多变，其姿态无法保持稳定，影响其水下潜航任务的进行。此外，在水上控制端控制水下潜航器做出指定的移动后，水下潜航器会由于惯性作用而发生剧烈的振动，无法快速恢复稳态，影响潜航作业的效率。所述姿态是指控制水下潜航器的roll，pitch，yaw三个角度数值变量。其中，pitch为围绕x轴(水下潜航器宽度方向的轴线)旋转角，也叫做俯仰角，yaw是围绕y轴(水下潜航器高度方向的轴线)旋转角，也叫偏航角，roll是围绕z轴(水下潜航器长度方向的轴线)旋转角，也叫翻滚角。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够控制水下潜航器保持姿态稳定的自稳系统。
本发明的另一目的在于提供一种水下潜航器，包括如上所述的自稳系统。
为达第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种自稳系统，包括：
姿态控制模块，用于检测计算水下潜航器的当前姿态的当前角度数据以及当前角速度数据，并根据控制信号控制水下潜航器进行姿态调整。
角度pid控制器，根据目标姿态的目标角度数据与当前角度数据的差值求解得到并输出对应的控制角速度数据；
角速度pid控制器，根据控制角速度数据与当前角速度数据的差值求解得到并输出对应的控制信号。
作为优选，还包括第一加法器，所述第一加法器用于接收控制端所发出的目标姿态的目标角度数据以及姿态控制模块所检测到的当前角度数据，将目标角度数据与当前角度数据求差得到角度数据差值，并将所述角度数据差值输出给角度pid控制器，所述角度pid控制器根据角度数据差值求解得到并输出对应的控制角速度数据。上述第一加法器的设置，结构简单，具体运行准确可靠。
作为优选，还包括第二加法器，所述第二加法器用于接收角度pid控制器所发出的控制角速度数据以及姿态控制模块所检测到的当前角速度数据，将控制角速度数据与当前角速度数据求差得到角速度数据差值，并将所述角速度数据差值输出给角速度pid控制器，所述角速度pid控制器根据角速度数据差值计算求解得到对应的控制信号。上述第二加法器的设置，结构简单，具体运行准确可靠。
作为优选，所述姿态控制模块通过对水下潜航器的驱动电机进行动力分配从而进行所述姿态调整。
作为优选，所述自稳系统用于控制水下潜航器保持一个静止姿态或者从一个静止姿态调整到另一个静止姿态。上述保持一个静止姿态时，使得水下潜航器更加适应于水下多变的环境，上述从一个静止姿态调整到另一个静止姿态使得水下潜航器的姿态切换更加稳定可靠。
作为优选，所述目标角度数据为水上控制端对水下潜航器所发出的控制指令。上述设置，使得操作人员对本发明自稳系统的控制更加简单方便，安全可靠。
为达另一目的，本发明提供了一种水下潜航器，包括如上所述的自稳系统。
作为优选，包括两个主推动电机以及两个辅助推动电机，所述姿态控制模块根据角速度pid控制器输出的控制信号，对两个主推动电机以及两个辅助推动电机进行动力分配，以使水下潜航器达到所述目标姿态。上述两个主推动电机以及两个辅助推动电机设置，与自稳系统相配合，使得本发明的水下潜航器姿态调整更加简单可靠，安全高效。
作为优选，还包括压条以及浮力调整装置；所述压条设置有多个，多个压条分布固定于所述水下潜航器的机体上，用于平衡所述水下潜航器机体长度方向各处的重力；所述浮力调整装置设置于所述水下潜航器下部，用于使得所述水下潜航器的重心位于浮心之下。上述压条以及浮力调整装置的配合设置，使得本发明所提供的水下潜航器在没有外界干扰的情况下，自身可以保持于某一稳定的姿态，其与发明所提供的自稳系统相配合，提高了对本发明所提供的水下潜航器姿态控制的稳定性与可靠性。
本发明的有益效果：串联的角度pid控制器与角速度pid控制器的配合设置，使得水下潜航器在复杂多变的水下潜行时，其姿态能够保持稳定，有效保证了水下潜航器水下潜航任务的进行，并且，在水上控制端控制水下潜航器做出指定姿态的移动时，水下潜航器能够平稳、准确高效地完成姿态的变换。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的自稳系统的流程框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提供了一种自稳系统。上述自稳系统包括姿态控制模块、角度pid控制器以及角速度pid控制器。上述姿态控制模块用于检测计算水下潜航器的当前姿态的当前角度数据以及当前角速度数据(以水下潜航器的roll，pitch，yaw三个角度数值变量为基准)。上述角度pid控制器具体用于根据目标姿态(水下潜航器所要达到的姿态)的目标角度数据与当前角度数据的差值求解得到并输出对应的控制角速度数据。上述角速度pid控制器具体用于根据控制角速度数据与当前角速度数据的差值求解得到并向姿态控制模块输出对应的控制信号。上述姿态控制模块接收到上述控制信号后，根据控制信号控制水下潜航器做出相应的动作。最终，当目标角度数据与当前角度数据相等，并且控制角速度数据与当前角速度数据相等时，水下潜航器从当前姿态变换为目标姿态。具体的，上述角度pid控制器与角速度pid控制器为本领域常规的pid控制器单元，其具体结构和工作原理在此不再赘述。
本发明中，串联的角度pid控制器与角速度pid控制器的配合设置，使得水下潜航器在复杂多变的水下潜行时，其姿态能够保持稳定，有效保证了水下潜航器水下潜航任务的进行，并且，在水上控制端控制水下潜航器做出指定姿态的移动时，水下潜航器能够平稳、准确高效地完成姿态的变换。
具体的，本实施方式的自稳系统还包括第一加法器。上述第一加法器用于接收控制端所发出的目标姿态的目标角度数据以及姿态控制模块所检测到的当前角度数据，将目标角度数据与当前角度数据求差得到角度数据差值，并将上述角度数据差值输出给上述角度pid控制器，上述角度pid控制器根据角度数据差值求解得到并输出对应的控制角速度数据。上述第一加法器的设置，结构简单，具体运行准确可靠。
更为具体的，本实施方式的自稳系统还包括第二加法器。上述第二加法器用于接收角度pid控制器所发出的控制角速度数据以及姿态控制模块所检测到的当前角速度数据，将控制角速度数据与当前角速度数据求差得到角速度数据差值，并将所述角速度数据差值输出给上述角速度pid控制器，上述角速度pid控制器根据角速度数据差值计算求解得到对应的控制信号。上述第二加法器的设置，结构简单，具体运行准确可靠。
上述第一加法器与第二加法器为本领域中常规的加法器部件，其具体结构与工作原理在此不再赘述。
上述自稳系统用于控制水下潜航器保持一个静止姿态的稳态或者从一个静止姿态调整到另一个静止姿态。上述保持一个静止姿态时，使得水下潜航器更加适应于水下多变的环境，上述从一个静止姿态调整到另一个静止姿态使得水下潜航器的姿态切换更加稳定可靠。
上述目标角度数据为水上控制端对水下潜航器所发出的控制指令。上述设置，使得操作人员对本发明自稳系统的控制更加简单方便，安全可靠。
本发明还提供了一种水下潜航器，具体包括如上所述的自稳系统。
具体的，本发明所提供的水下潜航器包括两个主推动电机以及两个辅助推动电机，所述姿态控制模块根据角速度pid控制器输出的控制信号，对两个主推动电机以及两个辅助推动电机进行动力分配，以使水下潜航器达到上述目标姿态。具体的，例如，当四个推动电机呈矩形设置时，通过设置水下潜航器左右两侧推动电机驱动方向相反，从而完成yaw角度数值的调整。上述两个主推动电机以及两个辅助推动电机设置，与自稳系统相配合，使得本发明的水下潜航器姿态调整更加简单可靠，安全高效。
更为具体的，本发明所提供的水下潜航器还包括压条以及浮力调整装置；上述压条设置有多个，多个压条分布固定于本发明所提供的水下潜航器的机体上，用于平衡本发明所提供的水下潜航器机体长度方向各处的重力。上述浮力调整装置设置于所述水下潜航器下部，用于使得所述水下潜航器的重心位于浮心之下。上述压条以及浮力调整装置的配合设置，使得本发明所提供的水下潜航器在没有外界干扰的情况下，自身可以保持于某一稳定的姿态，其与本发明所提供的自稳系统相配合，提高了对本发明所提供的水下潜航器姿态控制的稳定性与可靠性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。