趙昊廣，齊向東，鄭佳奇，虞嫣然

(1. 太原科技大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系，上海 200240；3. 上海交通大學(xué) 信息控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

新型自主水下航行器的運(yùn)動(dòng)控制研究與應(yīng)用

趙昊廣1，齊向東1，鄭佳奇2,3，虞嫣然1

(1. 太原科技大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系，上海 200240；3. 上海交通大學(xué) 信息控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

針對(duì)與上海交通大學(xué)共同研制的ZY-1型自主水下航行器，本實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了其動(dòng)力推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化任務(wù)。本文首先綜合水動(dòng)力特性和新型后置推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，分析此新型AUV后置X型推進(jìn)器的推力模型，對(duì)AUV在水平面與垂直面的運(yùn)動(dòng)方式和相應(yīng)的控制算法進(jìn)行闡述，并設(shè)計(jì)了PID控制器。接下來(lái)在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定。最終在拖曳水池試驗(yàn)中驗(yàn)證了所述方法的合理性，并且在后期的湖試中得到了滿意的試航結(jié)果。

新型AUV；運(yùn)動(dòng)控制；X型推進(jìn)器；串級(jí)PID控制

0 引 言

當(dāng)今世界，人們把目光越來(lái)越多地投向蘊(yùn)含豐富資源的海洋。大量的海洋探測(cè)工具被研發(fā)，尤其是水下自主航行器作為一種幫助人類探索、開(kāi)發(fā)海洋的高度自主機(jī)器人受到了許多國(guó)家的重視[1–3]。

在國(guó)內(nèi)，越來(lái)越多的高校與單位參與到了AUV的理論設(shè)計(jì)和實(shí)際研發(fā)當(dāng)中，但是離產(chǎn)品化、模塊化還有一定差距。本文以實(shí)驗(yàn)室與上海交通大學(xué)共同研制的ZY-1型自主水下航行器為研究對(duì)象，從推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制方法2個(gè)層面來(lái)介紹整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)。之后通過(guò)實(shí)際的水下試驗(yàn)測(cè)評(píng)了航行器的運(yùn)動(dòng)控制性能。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此AUV運(yùn)行穩(wěn)定，獲得的性能參數(shù)滿足此航行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 新型自主水下航行器

上海交通大學(xué)與太原科技大學(xué)根據(jù)我國(guó)深海環(huán)境探測(cè)和水下偵察的需求，共同研發(fā)了新型AUV產(chǎn)品樣機(jī)，如圖1所示。此新型水下航行器主要面向高機(jī)動(dòng)性與高度自主的應(yīng)用需求，整體使用模塊化設(shè)計(jì)，可靈活加減負(fù)載。同時(shí)為下一步的產(chǎn)品化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的自主水下航行器主要是欠驅(qū)動(dòng)類魚(yú)雷形航行器，此類AUV適合水下機(jī)動(dòng)，但因?yàn)槠淝夫?qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)使得轉(zhuǎn)彎半徑較大[4]，此外流線型航行器通常采用舵加槳驅(qū)動(dòng)，使得其控制系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性和強(qiáng)耦合的特性。因此，實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)出一種多推進(jìn)器的新型自主水下航行器，AUV尾部4個(gè)螺旋槳以X形布置。無(wú)舵槳，減小運(yùn)行阻力、轉(zhuǎn)彎半徑，通過(guò)對(duì)4個(gè)螺旋槳的分別控制，配合以后部導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水下航行器在水平面與垂直面上的靈活運(yùn)動(dòng)。

該新型AUV為類魚(yú)雷流線外形，主要技術(shù)指標(biāo)如下：重量：320 kg；長(zhǎng)度：3.3 m；直徑：323 mm；航速：3～5 kn；最大下潛深度：500 m；最大續(xù)航時(shí)間：24 h。

此新型AUV分為水下載體平臺(tái)與水面命令軟件系統(tǒng)2部分。水下載體平臺(tái)用來(lái)實(shí)際完成探測(cè)采集任務(wù)，主要由控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成。航行器后部推進(jìn)器的布置方式為呈X形布置的四螺旋槳推進(jìn)器，各自可依靠直流電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)不同轉(zhuǎn)速組合造成的推力差來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)首與俯仰控制，推進(jìn)器反轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。AUV安裝有前視避障聲吶，側(cè)掃聲吶與水速儀，可對(duì)水下地形進(jìn)行精確觀測(cè)，并采用鋰電池組作為能源系統(tǒng)。水面命令軟件系統(tǒng)由嵌入式控制器和信息處理軟件組成，負(fù)責(zé)控制程序與任務(wù)程序的編寫和下載，以及對(duì)水下數(shù)據(jù)的分析，是與AUV進(jìn)行交互的平臺(tái)。

2 新型AUV運(yùn)動(dòng)控制

2.1 X形推進(jìn)器推力分析

圖2所示為AUV在水下的載體坐標(biāo)系，其在水下的運(yùn)動(dòng)方式為繞y軸的俯仰運(yùn)動(dòng)與繞z軸的轉(zhuǎn)首運(yùn)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)AUV采用單推進(jìn)器組合舵槳的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，而此新型AUV的控制是由航行器后部4個(gè)呈X形分布的螺旋槳完成。為了研究其推進(jìn)方式，首先需要對(duì)X形推進(jìn)器的推力關(guān)系進(jìn)行分析。

X型推進(jìn)器控制方式有2種：一種是每個(gè)推進(jìn)器單獨(dú)控制；另一種是水平側(cè)或者垂直側(cè)的2個(gè)推進(jìn)器聯(lián)動(dòng)。

首先定義如下規(guī)則：

1）4個(gè)螺旋槳有效面積相同且電機(jī)參數(shù)一致。編號(hào)1～4分別為左上、左下、右上、右下的螺旋槳。

2）圖3中所示的螺旋槳1和4按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槳2和3按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，各推進(jìn)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小相等，這就可以抵消機(jī)體的自旋，避免航體在水下造成橫滾。δ1～δ4表示螺旋槳1～4的轉(zhuǎn)速。

3）ψ表示首向角，θ表示俯仰角，φ表示橫滾角。

Yx與Zx分別表示推進(jìn)器部分在Oyz平面沿y軸和z軸受到的合力。當(dāng)潛航器左轉(zhuǎn)時(shí)，Yx＞0；右轉(zhuǎn)時(shí)，Yx＜0；上升時(shí)，Zx＞0；下降時(shí)，Zx＜0，合力可由式（1）描述：

其中：Kyz為螺旋槳轉(zhuǎn)速到靜水推力的轉(zhuǎn)換系數(shù)；表示δi在y軸的作用方向，若δi與Yx同號(hào)，則為1，反之為–1；表達(dá)式Zx與Yx相似，新型AUV的螺旋槳軸線互相垂直，式（1）簡(jiǎn)化為

為了簡(jiǎn)化控制可以使用同側(cè)螺旋槳聯(lián)動(dòng)的方式，設(shè)

2.2 水平面航向控制

因?yàn)锳UV在水下無(wú)法與陸地基站進(jìn)行通信，2個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之間的航行完全由AUV自主完成。基于上述原因，這里提出一種航向糾偏算法。AUV在水下的航行方向是通過(guò)電子羅盤指向下一目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)[5]。通常在3級(jí)海況及以上，AUV會(huì)在海流的作用下偏離初始路徑，這導(dǎo)致AUV在進(jìn)行海底大尺度距離航行時(shí)，必須通過(guò)頻繁的上浮水面來(lái)接收目標(biāo)航點(diǎn)才可進(jìn)行航向糾偏。為了加大其航行效率以及延長(zhǎng)水下續(xù)航時(shí)間，在AUV的水平面航向控制中，將路徑偏移量引入到航向控制回路中，通過(guò)自身實(shí)時(shí)調(diào)整航向角來(lái)減小路徑偏移量[6]，如圖3所示。

其中Li為AUV中心到下一路徑點(diǎn)之間的距離：

圖4為AUV在水平面維度的控制環(huán)路，由航向PID內(nèi)環(huán)控制和航跡PID外環(huán)控制構(gòu)成。目標(biāo)位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)輸入，將陀螺儀的航向角速度數(shù)據(jù)用于PID微分計(jì)算[7]，通過(guò)實(shí)現(xiàn)硬件微分有效提高控制精度?？刂浦械腜ID初始參數(shù)首先通過(guò)Matlab仿真確定，然后在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)實(shí)際操作，獲得各參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的作用，反復(fù)整定，來(lái)獲得最佳控制參數(shù)。

其中多普勒計(jì)程儀DVL是用于測(cè)量AUV在航體坐標(biāo)系下的三維運(yùn)動(dòng)速度向量，通過(guò)坐標(biāo)變換，得到地面坐標(biāo)系下的速度向量

2.3 垂直面深度/高度控制

AUV在垂直面上的運(yùn)動(dòng)為自主定深下潛和上浮。由于AUV采用X形四螺旋槳的新型推進(jìn)方式，所以其定深控制采用串級(jí)PID控制，外環(huán)為深度控制PID，內(nèi)環(huán)為俯仰控制PID[8]，整個(gè)系統(tǒng)控制環(huán)路如圖5所示。

首先通過(guò)增加上部2個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)克服AUV在水中的正向浮力，通過(guò)改變其轉(zhuǎn)速可以有效地消除靜差，所以深度PID閉環(huán)并沒(méi)有使用積分項(xiàng)。其次AUV深度變化主要是由俯仰角變化引起，因此選擇在俯仰PID控制中加入微分環(huán)節(jié)來(lái)抑制俯仰角的變化速率，來(lái)增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9]。內(nèi)環(huán)俯仰PID的目的是快速對(duì)內(nèi)環(huán)中的各種擾動(dòng)做出反應(yīng)。為了增加內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)效果，選擇減弱其積分作用。綜合以上分析，深度控制器使用比例控制，俯仰控制器使用比例和微分控制，控制律為式（14）。其中，和分別為俯仰控制的比例和微分參數(shù)，為深度比例控制參數(shù)，為期望目標(biāo)深度，為深度計(jì)測(cè)量得到的實(shí)時(shí)深度，和分別為當(dāng)前AUV的俯仰角和俯仰角速度。

2.4 參數(shù)整定

在實(shí)際的AUV控制系統(tǒng)中，對(duì)象往往很復(fù)雜，難以建立最為準(zhǔn)確的模型。此時(shí)，可以根據(jù)之前研究建立的初步模型的響應(yīng)函數(shù)來(lái)調(diào)整PID控制參數(shù)[10]，然后在實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，可以試AUV模擬水平面與垂直面的運(yùn)動(dòng)。對(duì)AUV進(jìn)行水平面轉(zhuǎn)首和垂直面俯仰實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行二次整定，參數(shù)整定如表1所示，YAW為水平面轉(zhuǎn)首，PIT為垂直面俯仰。對(duì)AUV進(jìn)行定深與定向角的測(cè)試，角度的變化可以實(shí)時(shí)地通過(guò)傳感器發(fā)送到上位機(jī)軟件上，通過(guò)觀察試試變化曲線，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

表1 參數(shù)整定Tab. 1 Optimization of control parameter

3 試驗(yàn)

3.1 拖曳水池試驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性，此新型AUV在上海交通大學(xué)拖曳水池進(jìn)行多次試驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)后將內(nèi)部?jī)?chǔ)存的傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并使用M atlab繪制曲線圖。圖6所示為AUV在3 kn航速下的水平面定航向曲線與垂直面定深曲線，其穩(wěn)定航行后航向控制誤差在±2°以內(nèi)，深度控制誤差在±0.3 m以內(nèi)。

接著，為了測(cè)試新型推進(jìn)器的機(jī)動(dòng)性能，對(duì)不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下AUV的轉(zhuǎn)彎半徑與轉(zhuǎn)彎周期進(jìn)行測(cè)量。

3.2 湖上試驗(yàn)

ZY-1型AUV于2017年3月在千島湖實(shí)驗(yàn)湖區(qū)組織了規(guī)范化湖上實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，圖8所示為新型AUV正在進(jìn)行湖上試驗(yàn)。

為了驗(yàn)證AUV在垂直面上的定深下潛性能，對(duì)其進(jìn)行了50 m定深下潛試驗(yàn)，圖9為實(shí)時(shí)深度曲線，從圖中可見(jiàn)，下潛時(shí)間為50 m in，最大下潛深度達(dá)到52 m，平均下潛速度約為0.25 m/s。上浮后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知新型AUV下潛階段俯仰角為–16°～–20°，穩(wěn)定航行階段俯仰角保持在3°左右，這是由于AUV需要固定的仰角使頭部GPS露出水面，接收位置數(shù)據(jù)。

為了驗(yàn)證大尺度下AUV的航跡控制精度，新型AUV沿著實(shí)驗(yàn)湖區(qū)的水下邊界航行。在此試驗(yàn)中，AUV能夠穩(wěn)定的跟蹤預(yù)定航跡，連續(xù)在水下航行3 km。通過(guò)該試驗(yàn)驗(yàn)證了新型AUV在大尺度距離航行下跟蹤預(yù)定航跡的能力和水平面維度控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了新型AUV的后置新型推進(jìn)器及其控制系統(tǒng)，建立了X型推進(jìn)器等效控制模型，接著提出了新型AUV在水平面與垂直面上的運(yùn)動(dòng)控制方法，并通過(guò)自建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了分析和研究。最后結(jié)合大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)平臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)控制性能進(jìn)行評(píng)估與驗(yàn)證。此新型AUV具有易控制、模塊化、低成本等特點(diǎn)，尤其在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與水下偵察等方面具有廣泛的市場(chǎng)，其控制系統(tǒng)也將在未來(lái)的新型AUV產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向上發(fā)揮很大的作用。

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The motion control and app lication of a new type autonomous underwater vehicle

ZHAO Hao-guang1, QI Xiang-dong1, ZHENG Jia-qi2,3, YU Yan-ran1
(1. School of Electronics and Information, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030051, China;2. Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;3. Key Lab of System Control and Information Processing, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

In view of the version of ZY-1 AUV (autonomous underwater vehicle) which developed with Shanghai Jiaotong University, our laboratory undertook the task of designing and optimized the mechanical structure and propulsion system.First of all,the X thrust model of the new type AUV is analyzed by combining the hydrodynamic characteristics and the design of the new deflector. Then described the corresponding control algorithm of the new typr AUV in the horizontal and vertical and designed the PID controller. Next, the PID control parameters are optimized on the experimental platform. Finally, the rationality of the method was verified in the test of the towing pool, and the satisfactory test results were obtained in the later lake test.

new type AUV；motion control system；X propeller；PID cascade control

TP242

A

1672–7649(2017)12–0048–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.011

2017–08–31；

2017–09–25

趙昊廣(1991–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)。