陳世利，衛(wèi) 民，李一博，張震宇(. 天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 30007；. 威斯康辛州立大學拉克羅斯分校軟件工程學院，威斯康辛州 5460)

基于雙閉環(huán)的矢量推進器的AUV轉向控制方法

陳世利1，衛(wèi) 民1，李一博1，張震宇2
(1. 天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072；2. 威斯康辛州立大學拉克羅斯分校軟件工程學院，威斯康辛州 54601)

水下無人自航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)在對海洋環(huán)境進行勘查與測量時，實際航跡與目標航跡的偏差要求控制在一定精度范圍內．在傳統(tǒng)常采用的航向單閉環(huán)方法控制下，基于矢量推進器的AUV在高速轉向時存在航跡跟蹤效果差的缺點．針對這一問題，設計了一種雙閉環(huán)自適應轉向運動控制方法．該方法基于矢量推進器機動性強的特性，在AUV轉向時將航向控制閉環(huán)和航速控制閉環(huán)設計成雙閉環(huán)，調整航向的同時依據航向環(huán)偏航角差實時控制航速環(huán) AUV轉向目標速度．理論分析和實驗證明：在AUV轉向時，該控制算法可以更好地實現航跡跟蹤，實際航行軌跡與目標航跡的最大偏差可以控制在10,m以內．

水下無人自航行器；矢量推進器；轉向；航跡跟蹤；雙閉環(huán)

水下無人自航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)是一種與母船沒有任何物理連接，依靠自身攜帶的動力來自主航行的一種全新水下機器人．它具有活動范圍廣、自動化能力強及運行噪聲小等特點，在海洋環(huán)境測量和軍事方面具有重要應用價值[1-3]．目前AUV推進系統(tǒng)主要采用兩種推進技術：基于非矢量技術和基于矢量技術．相對于傳統(tǒng)的、應用較成熟的非矢量推進器，矢量推進器具有操縱性和機動性能強的特性．從國內外AUV發(fā)展狀況來看，矢量推進器在AUV領域已被實際應用，具有較好的應用前景[4-5]．

AUV在進行海底勘查與測量時，決策者需要制定合理的局部路徑規(guī)劃策略使AUV能夠按照目標航跡進行海底掃描測量．一旦控制策略不當造成實際航跡與目標航跡偏差過大，勘測時就會出現盲區(qū)，造成重大損失．筆者課題組在設計AUV時性能指標要求實際航跡與目標航跡偏差的最大偏差不能超過10,m．對于基于矢量推進器的AUV，為控制其在固定深度或高度沿目標航跡航行，國內外廣泛采用航向閉環(huán)PID控制方法[6-7]．當AUV直線行駛時，由于矢量推進器水平擺角動作幅度較小，傳統(tǒng)采用的航向閉環(huán)控制器可以達到偏差控制要求．但當AUV保持既定的高任務目標速度航行轉向時，由于需要調節(jié)的偏航角較大，而矢量推進器水平最大擺角有限，筆者課題組通過近些年實驗發(fā)現傳統(tǒng)采用的航向閉環(huán)PID控制方法不足以控制AUV較好的轉向，會導致轉向偏差d偏大，轉向時間t偏長，超出了最大允許范圍．因此，為解決在傳統(tǒng)的航向單閉環(huán)方法控制下AUV高速轉向時存在航跡跟蹤效果差的問題，針對矢量推進器，筆者設計了一種可以大幅度減小AUV轉向偏差、轉向時間，從而可以改善轉向航跡跟蹤效果的新型雙閉環(huán)運動控制算法．本文首先從理論上對矢量推進器轉向特性進行了分析，然后在此基礎上對雙閉環(huán)控制方法進行了設計，最后在云南撫仙湖進行了湖試實驗，檢驗該方法的轉向航跡跟蹤效果，并和常規(guī)航向單閉環(huán)控制算法進行了對比，證明本方法在轉向時可以控制AUV獲得良好的航跡跟蹤效果．

1 矢量推進器轉向特性分析

圖1為AUV轉向示意．

圖1 AUV轉向示意Fig.1 Schematic diagram of AUV steering

矢量推進器的突出特點是靠轉向電機擺動從而改變主推進器的推進方向，使AUV獲得一定轉向力矩．圖2為筆者課題組設計的AUV矢量推進器左右擺動圖．

為研究矢量推進器的轉向特性，假設大地為慣性坐標系，AUV為常質量剛體，不考慮洋流影響，研究AUV在固定深度或高度水平轉向問題，故筆者只考慮AUV做水平面運動情況，建立如圖3所示的坐標系．

圖2 矢量推進器擺動示意Fig.2 AUV vectored thruster swing figure

分析AUV的整體受力，可以推導出AUV轉向時動力學方程[8-9]為

式中：F(n)為矢量推進器產生的推力；n為螺旋槳轉速；Φ為AUV矢量推進器轉向擺角；L為主推力分量到AUV重心O的距離；ω為AUV轉向角速度；T(ω)為AUV轉向時所受到的阻力力矩；I為AUV的轉動慣量；β為AUV轉向角加速度；Iβ為轉向力矩．根據螺旋槳理論，螺旋槳在水下受到的推力為

式中：KT為推力系數，是與進速比JO相關的函數；ρ為海水密度；D為槳葉直徑．

由式(1)和式(2)可知，矢量推進器轉向時需要的轉向力矩和AUV線速度v無關．區(qū)別于傳統(tǒng)帶鰭葉靠流體動力轉向的非矢量推進器，基于矢量推進器的AUV在航行線速度很低時，也可以很好地完成轉向．

2 雙閉環(huán)控制方法設計

從矢量推進器轉向特性分析可知，矢量推進器轉向力矩與AUV線速度無關，低速轉向好．對比傳統(tǒng)僅靠航向PID控制器控制AUV轉向的方法，筆者設計如下自適應雙閉環(huán)算法．該方法原理是利用矢量推進器低速轉向好的性能優(yōu)勢，在AUV轉向時將航向控制閉環(huán)和航速控制閉環(huán)設計成雙閉環(huán)，通過航向環(huán)偏航角差去控制航速環(huán)AUV目標速度，AUV轉向調整航向的同時依據偏航角差的大小實時調節(jié)AUV轉向目標航速．雙閉環(huán)控制策略如圖4所示．

圖4 雙閉環(huán)控制策略示意Fig.4 Heading/speeding control strategy diagram

圖4 中航向環(huán)輸入變量為AUV期望的偏航角，輸出變量為AUV矢量推進器轉向角，反饋變量為AUV當前偏航角．航速環(huán)輸入量為AUV目標線速度，輸出作用對象為AUV矢量推進主電機，從而可以改變AUV線速度，反饋變量為AUV當前線速度．轉向時航向環(huán)偏航角差和航速環(huán)輸入變量AUV目標速度關系為

式中：vT為轉向前一時刻AUV任務目標速度；Δθ為目標航向角與當前航向角的差值；vP是隨著航向偏差角差Δθ變化而不斷調整的AUV轉向目標速度；c為速度調整系數，該系數大小與偏航角相關．為了使AUV轉向時速度逐漸下降，從而不損壞AUV的整體機械性能且不使問題復雜化，使轉向目標速度隨著偏航角的變化呈線性變化．

圖5所示為Δθ和系數c的函數關系．

(1) 當0＜|Δθ|≤5°時，由于偏航角比較小，轉向時AUV目標速度不做改變，此時c=1．由式(3)計算可得AUV在此偏航角范圍內轉向時航速環(huán)的輸入變量為轉向目標速度，即

(2) 當30°＜|Δθ|≤180°時，由于偏航角過大，此時根據偏航角差Δθ的變化，實時控制航速環(huán)主推電機，迅速降低AUV目標速度．為使其低速轉向，定c= k，k在0～1范圍內．由式(3)計算可得AUV在此偏航角范圍內轉向時航速環(huán)輸入變量轉向目標速度，即

(3) 當5°＜|Δθ|≤30°時，偏航角超出5°，此時需要實時逐漸減小AUV目標速度，為使航速隨著偏航角的增大線性減小，c將從1到k線性減?。墒?3)和圖5計算可得AUV在此偏航角范圍內轉向時航速環(huán)輸入變量轉向目標速度，即

根據以上方法分析可知，當AUV遇到轉彎開始轉向時，航向和航速控制形成雙閉環(huán)．轉向完成整個過程中，航向控制器的調節(jié)使偏航角差逐漸減小，系數c從k到1線性變化，相應的航速閉環(huán)也在不斷調節(jié)航速，使矢量推進器隨著偏航角差的變化以不同的低速轉向．轉向完成后，隨著偏航角差逐漸減小到零附近，航速環(huán)輸入量又相應地調節(jié)到任務目標速度．

圖5 系數c與|Δθ|的變化關系Fig.5 Relationship between c and |Δθ|

3 實驗驗證

本實驗AUV長度6.9,m，直徑800,mm，排水量1,400,kg，續(xù)航時間22,h(4節(jié)速度)，預計下水深度3,000,m．筆者課題組于2012年1月在云南撫仙湖進行了湖試實驗，在實物控制系統(tǒng)上對上述雙閉環(huán)控制方法進行了驗證．整個控制系統(tǒng)由甲板系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、矢量推進控制系統(tǒng)、導航控制系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)組成[10]．圖6所示為湖試實驗現場．

圖6 AUV湖試實驗現場Fig.6 Lake experiment of AUV

3.1 AUV不同線速度轉向對比實驗

為了進一步驗證基于矢量推進器的AUV低速轉向效果更好，筆者進行了如下實驗：使AUV在水面運行，通過航速PID控制器調速，使用多普勒計程儀(DVL)來測量當前AUV線速度，當AUV達到不同的線速度要求后，使AUV勻速行駛，然后發(fā)出轉向命令使其在常用弓字型路徑90°彎轉向，其轉向偏差和轉向時間對比如表1所示．

表1 不同v值轉向偏差時間表Tab.1 Steering deviation and steering time of different v

從實驗結果看出，當AUV航速從1.8,m/s降到0.3,m/s時，基于矢量推進器的AUV不會因為速度過小而無法轉向，并且轉向偏差和轉向時間減小明顯．

3.2 弓字型路徑90°轉向對比實驗

圖7 雙閉環(huán)控制方法和常規(guī)航向PID方法對比Fig.7 Comparison of double-loop control method and traditional PID

為了驗證雙閉環(huán)控制方法轉向效果更好，筆者初步設定k=0.5，在路徑規(guī)劃常選用弓字型路徑上進行了實驗對比．即使AUV先下潛到預定高度，然后按照圖7所示的弓字型路徑掃描海底地形地貌，選定航向PID控制器比例參數為1.0，積分參數為0.1，航速PID控制器比例參數為1.5，積分參數為0.5．分別使用常規(guī)航向PID控制方法和雙閉環(huán)控制方法使AUV在弓字型路線行駛，實驗運行結果如圖7所示.

從AUV采用兩種控制方法在弓字規(guī)劃路徑行駛情況可以看出，采用雙閉環(huán)控制方法在90°轉向時航跡跟蹤效果明顯得到改善．

3.3 系數c選定實驗

雙閉環(huán)控制方法中設計30°＜|Δθ|≤180°時，令c=k，k在0～1范圍內．為了驗證k取何值時，AUV轉向效果最好，筆者進行了如下實驗：采用雙閉環(huán)控制方法，當AUV在弓字型路徑上90°轉彎且k取不同值時，記錄其轉向偏差和轉向時間．不同k值轉向偏差時間表如表2所示．

表2 不同k值轉向偏差時間表Tab.2 Steering deviation and steering time of different k

從實驗結果可以看出，當k=0.8時，由于AUV速度比較大，導致其轉向偏差和轉向時間比較大．當k逐漸減小時，轉向偏差和轉向時間也逐漸減?。玨從0.1變化為0時，其轉向偏差和轉向時間變化比較小，考慮到k=0時，需要關閉主推進器，造成推進器的頻繁啟動，會導致能源浪費，故從工程上考慮取k=0.1．

3.4 多角度轉向對比實驗

取k=0.1．雙閉環(huán)控制算法在常用弓字型路徑90°轉向時航跡跟蹤效果明顯改善后，筆者將雙閉環(huán)控制算法應用在多角度轉向，兩種算法在不同轉向角度轉向偏差和轉向時間對比如表3所示．

表3 多角度轉向偏差時間對比Tab.3 Comparison of steering deviation and steering time at different steering angles

圖8給出了雙閉環(huán)控制方法和常規(guī)控制方法下轉向偏差的統(tǒng)計結果．

實驗結果表明，應用雙閉環(huán)控制算法在不同角度轉向時轉向偏差和轉向時間都得到了大幅度的減少；并且隨著轉向角度的增加，應用雙閉環(huán)算法時轉向偏差減小得更明顯．

圖8 轉向偏差統(tǒng)計結果Fig.8 Chart of steering deviation

4 結 語

理論分析和實驗證明，雙閉環(huán)自適應運動控制方法可以有效地解決基于矢量推進器的AUV在高速轉向時轉向偏差大、轉向時間長的問題．對不同期望轉向角，該算法都可以控制AUV很好地實現軌跡跟蹤，并且轉向角度越大，使用該控制算法效果越好．

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(責任編輯：趙艷靜)

Steering Control Strategy of AUV with Vectored Thruster Based on Double-Loop Mode

Chen Shili1，Wei Min1，Li Yibo1，Zhang Zhenyu2
.(1. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Software Engineering，University of Wisconsin-Lacrosse，Wisconsin 54601，The United States)

Autonomous underwater vehicle(AUV)should have the ability to control the deviation of the actual navigation trajectory and target track within a limited range when surveying the seabed. Based on a lot of AUV running experiments in the past，it is known that with the traditional PID control method, AUV often has such shortcomings as large steering deviation and long-time navigation when turning along the target track. So according to AUV steering characteristics，this paper proposes a new method of adaptive double-loop PID. This method is based on the lowspeed steering characteristic of vectored thruster. It can adjust the AUV speed according to different yaw anglesin real time when AUV turns the rudder angle. Theoretical analysis and experiments show that this method can effectively settle the problems of large steering deviation and long-time navigation when AUV turns along the target track. The maximum deviation of the actual navigation trajectory and target track can be controlled within 10,m.

autonomous underwater vehicle；vectored thruster；steering；path tracking；double-loop

TP242.3

A

0493-2137(2014)06-0530-05

10.11784/tdxbz201209062

2012-09-22；

2012-10-17.

國家自然科學基金資助項目(60974110，61201039)；國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51004076)；天津市應用基礎及前沿技術研究資助項目(10JCYBJC07100).

陳世利（1973— ），男，副教授，slchen@tju.edu.cn.

李一博，slyb@tju.edu.cn.