1.引言

水下自主航行體是一種重要的用于水下勘探的機器人，同時也是用于檢測的精密儀器。其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋：科學研究（海洋學、地理學、地球物理學等），環(huán)境保護（廢棄垃圾處理監(jiān)控，沼澤濕地監(jiān)測等），商業(yè)（石油與天然氣勘查，海底管道鋪設(shè)，港口監(jiān)控等）和軍事（水雷戰(zhàn)，戰(zhàn)場情報收集，智能武器等）。隨著其水下應(yīng)用的不斷增多，AUV的開發(fā)需求越來越強烈。但是水下航行體的動力學是一個高度非線性的且各自由度之間是相互耦合的。本文介紹了水下自動航行體的動力學數(shù)學模型。AUV的仿真和運動方程的解算是系統(tǒng)設(shè)計與控制的基礎(chǔ)，因此首先需要分析航行體在水下航行時受到的所有外力和力矩。其次要對各種力和力矩（慣性力，靜水力，流體力，超重，推進力以及環(huán)境的影響等）的作用效果加以推導計算，最后求出各方程在特定條件下的數(shù)值解。由于動態(tài)仿真能在不擴展現(xiàn)有模型的前提下對給定系統(tǒng)的性能離線做出較為準確的評估，因此動態(tài)仿真已經(jīng)成為AUV開發(fā)的強大工具。本軟件用MATLAB SIMULINK和C++語言編寫而成，并且利用三維圖形界面顯示實時數(shù)據(jù)。

2.AUV模型

水下航行體一般可認為是具有六自由度的剛體，其平動和轉(zhuǎn)動方程可以依據(jù)牛頓定律建立。其六種不同的運動形式分別定義為：前后，左右，上下，橫滾，俯仰，偏航。

要對航行體的物理行為進行分析，首先必須建立合適的坐標系。為此必須理解世界坐標系和艇體坐標系這兩種坐標體系及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。文中的動力學運動方程均建立在艇體坐標系下，如圖1所示。

3.AUV運動方程

描述AUV運動特征的方程]如下：

作用在水下航行體的所有外力和力矩主要劃分為以下6類：(1)靜水力和力矩；(2)超重慣性力和力矩；(3)流體動力和力矩；(4)操舵力和力矩；(5)推進力和力矩；(6)環(huán)境作用力。

靜水力由重力和浮力構(gòu)成，它們均是方位的函數(shù)且與航行體的運動狀態(tài)無關(guān)。粘滯力是關(guān)于運動速度的函數(shù)，而艇體的超重效果則主要與加速度有關(guān)。流體力是作用于艇體壓力中心的包含牽引力和拖曳力。壓力中心是攻角的函數(shù)，當攻角增大時壓力中心的位置會偏移。因此搞清楚壓力中心的變化對航行體運動的影響就顯得十分重要。航行體的航行姿態(tài)由水平舵和垂直舵控制。推進力提供動力Xprop和艇體坐標系下繞X軸的動力矩Kprop表示。環(huán)境的影響主要考慮水下的涌流。仿真的過程中，可以改變方程各參量的值，對航行體的運動可以實時監(jiān)控。

4.仿真

仿真器由輸入、計算和輸出3部分構(gòu)成。在輸入部分，用戶可以設(shè)定航行體的各種參數(shù)，如航行體的幾何形狀尺寸、質(zhì)量、流體力學參數(shù)等。計算部分由AUV的六自由度動力學模型構(gòu)成，模型仿真利用MATLAB SIMULINK編程實現(xiàn)。工具包由以下五個子系統(tǒng)構(gòu)成：(1)推進力和力矩計算子系統(tǒng)；(2)靜水力和力矩計算子系統(tǒng)；(3)流體動力和力矩計算子系統(tǒng)；(4)操舵力和力矩計算子系統(tǒng)；(5)環(huán)境影響(水下涌流)子系統(tǒng)。

動力學子系統(tǒng)負責求解各運動方程，求解時考慮了作用于艇體的外力和力矩以及航行體的運動學。通過求解得出航行體在艇體坐標系下的加速度、線速度和角速度。航行體在慣性坐標系的位置則通過坐標轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)計算得出。

對動力學運動方程積分可以得出航行體下一時刻的速度值。結(jié)合航行體在艇體坐標系下的最新速度與艇體移動的運動方程可以推導出其在世界坐標系下的速度。對航行體在世界坐標系下的速度積分并考慮洋流的影響就可以獲得航行體的位置。

輸出部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的文件保存、二維或三維圖形顯示、以及航行體機動情況的三維視景顯示，如圖2所示。

將控制子系統(tǒng)內(nèi)置于工具包中使我們能使用各種類型的控制器進行仿真模擬，如滑模型控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、QFT方法等。

5.實例

圖1 AUV坐標系示意圖

圖2 仿真環(huán)境中AUV的三維視景圖

圖3 REMUS航行體的仿真軌跡

為了說明軟件包的性能，我們選取一個名為REMUS的AUV作為實例進行仿真[7]。將該AUV的已知參數(shù)輸入，就可以對AUV的行為進行仿真，并將仿真結(jié)果與文獻[7]中的實驗結(jié)果進行對照比較。在以下各圖形中可以看到REMUS的機動情況。圖3顯示了航行體方向舵偏角漸變對其運動的影響，其中仿真開始的最初10s內(nèi)水平舵設(shè)為零度，隨后的25s內(nèi)航行體方向舵轉(zhuǎn)為正4度，再后30s內(nèi)方向舵轉(zhuǎn)為負4度。

6.結(jié)論

利用本文討論的航行體剛體動力學模型，通過改變航行體的方向舵，艉部水平舵和發(fā)動機功率等參數(shù)值可以產(chǎn)生航行體的開環(huán)行為結(jié)果。所開發(fā)的軟件不僅可用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為控制策略的最優(yōu)設(shè)計，還可以作為已設(shè)計完成系統(tǒng)的試驗臺。

[1]Fossen T.I,“Guidance and Control of Ocean Vehicles”,John Wiley & Sons,1994.

[2]Loueipour M,Narimani M,”Dynamic Modelingand simulation of Remotely Operated Vehicles”,UDT Conference,2006.

[3]Loeipour M.,“Dynamic of underwater vehicles”,sub sea R&D research centre,Isfahan University of Technology,Isfahan,Iran,2001.

[4]Loeipour M.,“Design of Control System for ROV based on QFT Method”,M.S Thesis,1997.

[5]Tabesh A,Narimani M“Design of control system for a ROV”,Sub sea R&D centre,Isfahan University of Technology,1999.

[6]Narimani M,Loeipour M,“Positioning Control of Remotely Operated Vehicle”,UDT Conference,2006.

[7]Prestero T,“Development of Six-DOF simulated model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle”,A dissertation at University of California.