康永澤+鄧生平

摘 要： 水下自主航行器受到擾動影響容易產(chǎn)生橫滾，為了提高水下航行器的穩(wěn)定性，提出一種基于橫滾抑制的水下自主航行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了控制算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，采用魯棒性PID 控制算法進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)，構(gòu)建靜態(tài)神經(jīng)元控制時滯閉環(huán)系統(tǒng)，采用嚴(yán)格反饋抑制方法進(jìn)行橫滾抑制，在程序加載電路中進(jìn)行控制算法加載。硬件設(shè)計(jì)主要包括航行姿態(tài)的A/D采樣電路、控制信息處理器、伺服機(jī)構(gòu)和控制輸出電路等。最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和仿真分析，結(jié)果表明，采用該控制系統(tǒng)能有效抑制水下自主航行器的橫滾，進(jìn)行姿態(tài)修正，提高航行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 水下自主航行器； 航行器橫滾抑制； 控制系統(tǒng)； PID控制算法

中圖分類號： TN964?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0085?03

Abstract： The underwater autonomous vehicle affected with disturbance may produce the roll. In order to improve the stability of the underwater vehicle， a design method of underwater autonomous vehicle control system based on roll suppression is proposed. The system design includes the control algorithm design and system hardware modular design. The robustness PID control algorithm is used to design the control law， and construct the time?delay closed?loop system controlled with static neural cell. The strict feedback suppression method is used to suppress the roll. The control algorithm is loaded into the program loading circuit. The hardware design mainly includes the design of A/D sampling circuit， control information processor， servo mechanism and control output circuit of navigation attitude. The system debugging and simulation analysis were carried out. The simulation results show that the control system can restrain the roll of underwater autonomous vehicle effectively， correct the posture， and improve the navigation stability.

Keywords： underwater autonomous vehicle； vehicle roll suppression； control system； PID control algorithm

0 引 言

水下自主航行器（Underwater Autonomous Vehicle， UAV）常見的如魚雷、聲吶誘餌、水聲探測器等，水下自主航行器在水下航行過程中需要控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時姿態(tài)修正和控制，保障航行器的穩(wěn)定可靠航行[1]。水下自主航行器在水下航行中受到海洋涌流和海底混響因素的影響，導(dǎo)致姿態(tài)參量的自整定性不好，容易產(chǎn)生橫滾，需要進(jìn)行橫滾抑制控制。研究水下自主航行器的橫滾抑制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對改善水下自主航行器的穩(wěn)定性，提高水下自主航行器的航行性能方面具有重要的意義。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

1.1 水下自主航行器的控制原理

對水下自主航行器的橫滾抑制及穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)普遍采用的是固定控制器+增益規(guī)劃的控制方案，設(shè)計(jì)過程主要分為三步：第一步是進(jìn)行航行穩(wěn)定性控制算法的設(shè)計(jì)，確定水下自主航行器的橫滾抑制及穩(wěn)定性控制的約束參量和控制目標(biāo)函數(shù)，采用參數(shù)自整定性調(diào)整方法進(jìn)行橫滾抑制及穩(wěn)定性控制，提高水下自主航行器的穩(wěn)定性；第二步是進(jìn)行橫滾抑制及穩(wěn)定性控制器的具體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的外圍器件選擇和DSP數(shù)字信心處理芯片的選擇，結(jié)合控制算法的程序加載實(shí)現(xiàn)對水下自主航行器的穩(wěn)定性控制；第三步是進(jìn)行系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)，通過反復(fù)的控制器參數(shù)調(diào)試，進(jìn)行試驗(yàn)航行，應(yīng)用于水下自主航行器的應(yīng)用實(shí)踐中[2?3]。

水下自主航行器的橫滾抑制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成主要由水下自主航行器橫滾抑制控制的信息感知系統(tǒng)、橫滾抑制控制系統(tǒng)、慣性深控模塊、指令裝置模塊、敏感元件模塊（包括速率陀螺、加速度計(jì)、方向陀螺和壓力傳感器等）、驅(qū)動器模塊、穩(wěn)態(tài)控制模塊和信號處理器，單通道的水下自主航行器的控制系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)功能技術(shù)指標(biāo)分析

水下自主航行器的橫滾抑制控制器采用嵌入式控制器PXI?8155向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，DSP接收PCI總線傳遞的UAV信息，如采樣率、采樣通道數(shù)，水下自主航行器橫滾抑制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)描述如下[4?5]：

（1） 壓控放大器記錄動態(tài)范圍為-40～40 dB，指令周期為DMA0，基陣接收的姿態(tài)控制信息擴(kuò)展總量為100 dB，電壓信號在0～4.095 V之間；

（2） 橫滾抑制控制系統(tǒng)實(shí)時時鐘RTC設(shè)定為11，模擬預(yù)處理機(jī)動態(tài)范圍為-12～0 dB；

（3） 采用多傳感器進(jìn)行水下自主航行器的姿態(tài)采樣，姿態(tài)控制信息采樣率1 024 kHz，滿足奈奎斯特采樣定理；

（4） A/D模塊中VME總線傳輸?shù)腁/D分辨率：10位（至少）；

（5） D/A轉(zhuǎn)換速率>200 kHz；

（6） 最大發(fā)射電壓響應(yīng)級SvL和發(fā)射聲壓級SL滿足135 dB

根據(jù)上述功能模塊分析和控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)描述，進(jìn)行水下自主航行器橫滾抑制控制系統(tǒng)的集成開發(fā)與設(shè)計(jì)。

2 控制律設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行了水下自主航行器橫滾抑制控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和功能技術(shù)指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)。采用魯棒性PID 控制算法進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)[6?7]，構(gòu)建靜態(tài)神經(jīng)元控制時滯閉環(huán)系統(tǒng)，采用嚴(yán)格反饋抑制方法進(jìn)行橫滾抑制，水下自主航行器橫滾抑制控制的PID 控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

在圖2所示的PID 控制器中，其中是水下自主航行器的姿態(tài)傳遞函數(shù)，是控制通道，與是航行深度偏差控制系數(shù)和沖激響應(yīng)函數(shù)。利用水下自主航行的姿態(tài)穩(wěn)定性線性調(diào)節(jié)原理，在干擾作用下，航行器保持平衡航行的姿態(tài)慣性權(quán)重滿足，，采用最小誤差跟蹤設(shè)計(jì)方法，得到期望軌跡輸出為：

在水下自主航行器控制輸入變量確定的情況下，首先建立被控系統(tǒng)的姿態(tài)跟蹤軌跡矩陣：

式中，控制系統(tǒng)從在速度坐標(biāo)系下的中心速度矢量滿足的輸出穩(wěn)定性條件，以水下自主航行器的標(biāo)準(zhǔn)彈道為基準(zhǔn)，基于分裂波束的目標(biāo)定向法，得到水下自主航行器相對標(biāo)準(zhǔn)彈道的偏差量，水下自主航行器的穩(wěn)定性控制三通道模型為：

根據(jù)Lyapunove穩(wěn)定性原理[8]，利用本文方法進(jìn)行水下自主航行器反饋橫滾抑制控制律具有較好的穩(wěn)定收斂性，控制誤差具有快速收斂到零的優(yōu)點(diǎn)。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

進(jìn)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，主要包括航行姿態(tài)的A/D采樣電路、控制信息處理器、伺服機(jī)構(gòu)和控制輸出電路等。

（1） 航行姿態(tài)A/D采樣電路。該模塊完成對水下自主航行器橫滾抑制控制信息的數(shù)據(jù)采集，通過CPLD編程ADM706SAR進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，得到A/D電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

（2） 控制信息處理器。控制信息處理器是控制系統(tǒng)的核心單元，采用JTAG接口使用IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯電路進(jìn)行控制信息加載和控制律的程序?qū)懭?，在完?054的初始化配置后，將I/O初始化控制寄存器 CNTRL[25]（使能位）設(shè)置為“1”，DSP通過雙端口RAM（IDT70V28）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，得到控制信息處理器接口連線。

（3） 伺服機(jī)構(gòu)。伺服機(jī)構(gòu)完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換和控制信息驅(qū)動，采用標(biāo)準(zhǔn)的VPP儀器驅(qū)動程序進(jìn)行水下自主航行器橫滾抑制控制系統(tǒng)的多線程控制。

（4） 控制輸出電路。在控制輸出電路中，將接收到的輸入時鐘變換為CPU能識別的執(zhí)行程序，采用高速信號處理器+高速A/D實(shí)現(xiàn)控制中心的程序驅(qū)動和控制輸出，得到控制輸出電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)仿真測試分析

為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)分析，采用兩通道、12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制數(shù)據(jù)寫入，由DSP的地址線A0控制輸出8路D/A轉(zhuǎn)換信號，，LDA#和LDB#依次與5409A數(shù)據(jù)總線連接，系統(tǒng)用5 V和3.3 V電壓給芯片供電以方便調(diào)試，得到水下航行器橫滾抑制控制系統(tǒng)的參量輸出結(jié)果如圖5所示。

分析控制性能得知，水下自主航行器控制系統(tǒng)采用50 MHz的參考控制信號輸入，分辨率可達(dá)0.011 6 Hz，能較好地滿足橫滾抑制的需求，提高了UAV的水下航行穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

為了提高水下航行器的穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一種基于橫滾抑制的水下自主航行器控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，采用魯棒性PID 控制算法進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括航行姿態(tài)的A/D采樣電路、控制信息處理器、伺服機(jī)構(gòu)和控制輸出電路等。最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和仿真分析得出，采用該控制系統(tǒng)能有效抑制水下自主航行器的橫滾，進(jìn)行姿態(tài)修正，提高航行穩(wěn)定性，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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