楊海，劉雁集，張凱

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海2011082上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

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實(shí)驗(yàn)尺度無人水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊海1，劉雁集2，張凱2

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108
2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

摘要：無人水下滑翔機(jī)是一種高效的水下機(jī)器人。實(shí)尺度滑翔機(jī)在一般水池內(nèi)很難形成穩(wěn)態(tài)的滑翔運(yùn)動，不便于研究分析其動力學(xué)問題，因此設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)尺度的水下滑翔機(jī)，詳述滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)、建模、控制與試驗(yàn)研究。首先，簡述實(shí)驗(yàn)尺度滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件計(jì)算殼體的水動力參數(shù)。然后，根據(jù)機(jī)體的內(nèi)部質(zhì)量分布，建立滑翔機(jī)的動力學(xué)模型。最后，設(shè)計(jì)垂直剖面運(yùn)動的線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）控制器與線性Kalman觀測器，并在觀察環(huán)節(jié)加入一定量的白噪聲干擾。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制器與觀測器可在一定量干擾存在的情況下保證機(jī)體的正常運(yùn)行。水池試驗(yàn)的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)可在3 m水深范圍完成穩(wěn)態(tài)滑翔運(yùn)動，并具有良好的穩(wěn)定性及操縱性。

關(guān)鍵詞：水下滑翔機(jī)；水動力參數(shù)；Kalman觀測器；水池試驗(yàn)

0　引　言

無人水下滑翔機(jī)是浮力驅(qū)動、帶有固定機(jī)翼的無人水下航行器。由于其高效的運(yùn)動方式，在海洋環(huán)境的采樣及監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，近年來，受到越來越多的重視。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多種成熟的實(shí)尺度滑翔機(jī)［1-4］，而且諸多新型樣機(jī)正不斷問世。

實(shí)尺度常規(guī)滑翔機(jī)主體長2 m左右，其鋸齒形的運(yùn)動形式?jīng)Q定了滑翔機(jī)的大深度運(yùn)行特性，而在常規(guī)水池深度范圍內(nèi)（3～10 m），很難形成充分的穩(wěn)態(tài)滑翔運(yùn)動。為便于分析滑翔機(jī)的動力學(xué)特性，普林斯頓大學(xué)的Leonard等［5］設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)尺度滑翔機(jī)ROGUE，其橢球形的外殼簡化了水動力參數(shù)，位于浮心的浮力系統(tǒng)不對動力學(xué)產(chǎn)生影響，LQR控制仿真不僅驗(yàn)證了模型的優(yōu)良特性，而且初步探討了現(xiàn)代控制理論在滑翔機(jī)上的應(yīng)用效果。密歇根州立大學(xué)的Zhang等［6］設(shè)計(jì)了仿生魚外形的滑翔機(jī)，機(jī)體重4 kg，長0.5 m，開環(huán)控制試驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的機(jī)動性。密歇根理工大學(xué)的Mitchell等［7］設(shè)計(jì)了簡易的、低成本的水下滑翔機(jī)GUPPIE，該滑翔機(jī)沒有俯仰微調(diào)機(jī)構(gòu)，而是利用置于機(jī)體前端的注射式浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)同時(shí)調(diào)節(jié)浮力與俯仰角度。

以上實(shí)驗(yàn)尺度滑翔機(jī)在結(jié)構(gòu)上做了簡化，如將浮力機(jī)構(gòu)置于浮心處，從而使動力學(xué)模型變得簡單。但實(shí)際應(yīng)用的滑翔機(jī)往往具有多個(gè)偏心質(zhì)量，為此，應(yīng)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)尺度水下滑翔機(jī)以充分研究滑翔機(jī)各部分對動力學(xué)特性的影響。

本文擬設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)尺度無人水下滑翔機(jī)，主體長0.615 m，重5.38 kg，通過置于尾部的浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變自身浮力，采用無線通訊模式，并利用快速控制模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)對滑翔機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以為動力學(xué)及控制算法研究提供試驗(yàn)平臺。

1　滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與水動力參數(shù)確定

水下滑翔機(jī)的運(yùn)動由浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)共同調(diào)節(jié)控制。其中：浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不僅調(diào)節(jié)浮力，同時(shí)還調(diào)節(jié)俯仰角度；姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輔助微調(diào)姿態(tài)，以使滑翔機(jī)可以比較精確地跟蹤設(shè)定軌跡。

綜合考慮水動力性能與制作成本等因素，本文設(shè)計(jì)的水下滑翔機(jī)主體為圓柱形，前端導(dǎo)流罩為半圓球體，后端導(dǎo)流罩為半橢球體?；铏C(jī)如圖1所示，機(jī)體的浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)等均安裝在內(nèi)部支架上。

水下滑翔機(jī)的水動力參數(shù)是設(shè)計(jì)機(jī)體內(nèi)部機(jī)構(gòu)的依據(jù)，垂直平面內(nèi)的阻力D、升力L和俯仰力矩MDL可分別表示為［5］：

圖1無人水下滑翔機(jī)Fig.1 Autonomous underwater glider

式中：v1和v3分別為滑翔機(jī)在縱向和垂向的平移速度；α為攻角；KD0，KD，KL0，KL，KM0，KM均為水動力系數(shù)。

基于CFD計(jì)算垂直剖面內(nèi)滑翔運(yùn)動的阻力系數(shù)、升力系數(shù)及俯仰力矩系數(shù)，模擬計(jì)算如圖2所示。計(jì)算所得各參數(shù)與攻角的關(guān)系如圖3所示。擬合式（1）～式（3），得各水動力系數(shù)KD0= 0.197 8，KD= 15.42，KL0= 0，KL= 73，KM0= 0，KM= -3.68。

圖2基于CFD計(jì)算的滑翔機(jī)水動力參數(shù)Fig.2 Hydrodynamic parameters of underwater glider based on CFD

圖3水動力參數(shù)與攻角的關(guān)系Fig.3 Hydrodynamic parameters vs. attack angle

2　動力學(xué)模型

水下滑翔機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的位置變化會對機(jī)體運(yùn)動產(chǎn)生影響。為精確控制滑翔機(jī)運(yùn)動，需要建立精確的動力學(xué)模型。

本文所設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中：俯仰調(diào)節(jié)重塊1的質(zhì)量為mˉ；連接盤2的質(zhì)量為mc，連接絲杠螺母與活塞3，活塞連桿固定在連接盤2上；可變?nèi)莘e腔體4的質(zhì)量為mb，隨吸排液體體積變化而變化；直線軸承5固定在連接盤2上。

圖4機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4　 Internal structure of the glider

水下滑翔機(jī)動力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1滑翔機(jī)參數(shù)Tab.1 Glider parameters

式中：w1為滑動質(zhì)量mˉ的移動加速度；w2為可變質(zhì)量mb的質(zhì)量變化速率；m0為凈浮力質(zhì)量；g為重力加速度。

3　控制器與觀測器設(shè)計(jì)

3.1 LQR控制器設(shè)計(jì)

對滑翔機(jī)的滑翔角度由-20°～20°的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行仿真，在第12 s打開控制器，得到主要狀態(tài)變量的變化過程如圖5所示。

圖5狀態(tài)變量的變化軌跡Fig.5　 Trajectories of the state variables

控制轉(zhuǎn)換過程中的滑翔路徑如圖6所示，在控制器開啟后，水下滑翔機(jī)仍向下滑翔了0.3 m。在設(shè)置滑翔機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)時(shí)，必須考慮到這一因素，避免耐壓殼體受損。

圖6設(shè)定路徑與仿真路徑Fig.6　 Set path and simulated path

3.2 Kalman觀測器設(shè)計(jì)

對于實(shí)際運(yùn)行的水下滑翔機(jī)，可直接測量的反饋量通常為俯仰角度、滑塊位置及浮力系統(tǒng)可變部分質(zhì)量。設(shè)計(jì)Kalman觀測器估計(jì)滑翔機(jī)的狀態(tài)變量。Kalman觀測器方程描述如下：

式（25）為狀態(tài)估計(jì)方程，式（27）為誤差協(xié)方差更新公式。式中：為狀態(tài)估計(jì)值；u為輸入變量；A和B分別為在平衡點(diǎn)線性化后的狀態(tài)矩陣和輸入矩陣；H為輸出矩陣；K為誤差增益；z為實(shí)測輸出（此處為滑塊位置、俯仰角度與浮力系統(tǒng)質(zhì)量3個(gè)變量）；P為誤差協(xié)方差；R為觀測噪聲協(xié)方差，取觀測噪聲方差為0.2，噪聲均值為0。則有

對滑翔機(jī)的滑翔角度由-30°～30°的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行仿真，Kalman觀測器初始值與狀態(tài)變量初始值相同。在測量環(huán)節(jié)加上均值為0.01的白噪聲干擾，得俯仰角度的變化如圖7所示。

4　水池試驗(yàn)

圖7加入白噪聲干擾的觀測值Fig.7 Observation value with white noise

為簡化試驗(yàn)過程，又方便控制方法的實(shí)現(xiàn)，本文采用上位機(jī)和下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊的方法實(shí)現(xiàn)控制信號的傳輸和滑翔機(jī)數(shù)據(jù)的采集。利用NI的Veristand搭建滑翔機(jī)的快速控制原型。Veristand用于實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。Labview共享Veristand中定義的變量，并做圖形予以顯示，以方便監(jiān)控。一對通訊頻率為868 MHz的無線模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，其中一個(gè)位于機(jī)體耐壓艙內(nèi)，工作時(shí)運(yùn)行于水下環(huán)境；另一個(gè)位于試驗(yàn)臺上，與上位機(jī)相連。該通訊頻率具有較好的穿透性，信號在水中衰減較慢。監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

圖8監(jiān)控系統(tǒng)Fig.8　 Monitoring and control system

試驗(yàn)中，首先將活塞位置、滑塊位置調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)零點(diǎn)，然后再將滑翔機(jī)調(diào)整至懸浮狀態(tài)。試驗(yàn)開始時(shí)，通過上位機(jī)設(shè)置目標(biāo)滑翔角對應(yīng)的滑塊位置，以及能提供目標(biāo)凈浮力的對應(yīng)的活塞位置。一個(gè)動態(tài)精度為±0.2°的慣性導(dǎo)航傳感器測量角度值，一個(gè)工作深度為50 m的壓力變送器測量深度，并利用電機(jī)編碼器反饋滑塊及浮力推動機(jī)構(gòu)的位置信息。

試驗(yàn)過程滑翔機(jī)各運(yùn)行參數(shù)如圖9所示。

圖9實(shí)測狀態(tài)量Fig.9 Measured values

由圖9可看出，滑塊的位移響應(yīng)較快，但角度響應(yīng)出現(xiàn)了明顯的欠阻尼現(xiàn)象，有較大振蕩。由圖9（c）可看出，振蕩過程會影響到機(jī)體的滑翔路徑。在滑翔機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，可減慢內(nèi)部滑塊的調(diào)節(jié)速度以提高機(jī)體運(yùn)行路徑的精度。

滑翔過程的視頻截圖如圖10所示。

圖10水池試驗(yàn)中的滑翔機(jī)Fig.10　 Glider in a tank

5　結(jié)　語

本文介紹了一種實(shí)驗(yàn)尺度無人水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)、建模、仿真與試驗(yàn)。機(jī)體包含多個(gè)可移動部分，建立的動力學(xué)模型充分描述了各部分對動力學(xué)的影響，并利用CFD方法確定了水動力參數(shù)，探討了滑翔機(jī)的淺深度滑翔特性。設(shè)計(jì)了LQR控制器，結(jié)合Kalman觀測器實(shí)現(xiàn)了對滑翔機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在具有一定觀察噪聲的環(huán)境下可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，該滑翔機(jī)具有較好的穩(wěn)定性與操縱性，可在3 m深度范圍內(nèi)完成長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)滑翔運(yùn)動，能為動力學(xué)及控制算法研究提供試驗(yàn)平臺。

下一步將繼續(xù)完善滑翔機(jī)，提高其性能?；谒卦囼?yàn)，辨識更多的水動力參數(shù)及機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)。進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)通訊速率，實(shí)現(xiàn)高級的控制算法在滑翔機(jī)上的應(yīng)用。

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Design and experiment for laboratory-scale autonomous underwater gliders

YANG Hai1，LIU Yanji2，ZHANG Kai2

1 Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China
2 State Key Laboratory of Marine Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Abstract：The autonomous underwater glider is a type of highly efficient autonomous underwater vehicle. Aiming at the problem that full-scale legacy gliders have difficulties in forming steady gliding movement in typical tanks, which induces obstacles in their dynamics analysis, a laboratory-scale glider is designed in this paper, where the glider design, modeling, control，and experimental research are described in detail. Firstly, the structure of the glider is described, and hydrodynamic parameters are calculated based on CFD. Secondly, the glider's dynamic governing equation is established according to the internal mass distribu?tion. Finally, the Linear Quadratic Regulator（LQR）controller and the Kalman observer are designed, and certain amount of white noise is added into the observation process. The simulation results show that the controller and observer ensure the normal operation of the glider in the presence of noise, and the glider can achieve steady gliding motion at 3 m depth range, suggesting good stability and maneuverability.

Key words：underwater glider；hydrodynamic parameters；Kalman observer；tank test

作者簡介：楊海（通信作者），男，1981年生，博士，工程師。研究方向：船舶動力裝置，海洋無人化裝備。E-mail：sjtu240yh@163.com劉雁集，男，1987年生，博士生。研究方向：水下滑翔機(jī)。E-mail：y.j.liu@sjtu.edu.cn

收稿日期：2015 - 05 - 25網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U661.71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.013

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.028.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：楊海，劉雁集，張凱.實(shí)驗(yàn)尺度無人水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：102-107，120. YANG Hai，LIU Yanji，ZHANG Kai. Design and experiment for laboratory-scale autonomous underwater gliders［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：102-107，120.