趙昊廣，齊向東，鄭佳奇，虞嫣然

(1. 太原科技大學 電子信息與工程學院，山西 太原 030051；2. 上海交通大學 自動化系，上海 200240；3. 上海交通大學 信息控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240)

新型自主水下航行器的運動控制研究與應用

趙昊廣1，齊向東1，鄭佳奇2,3，虞嫣然1

(1. 太原科技大學 電子信息與工程學院，山西 太原 030051；2. 上海交通大學 自動化系，上海 200240；3. 上海交通大學 信息控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240)

針對與上海交通大學共同研制的ZY-1型自主水下航行器，本實驗室承擔了其動力推進裝置設計與優(yōu)化任務。本文首先綜合水動力特性和新型后置推進器的設計，分析此新型AUV后置X型推進器的推力模型，對AUV在水平面與垂直面的運動方式和相應的控制算法進行闡述，并設計了PID控制器。接下來在搭建的實驗平臺上對PID控制參數(shù)進行整定。最終在拖曳水池試驗中驗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果。

新型AUV；運動控制；X型推進器；串級PID控制

0 引 言

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

在國內，越來越多的高校與單位參與到了AUV的理論設計和實際研發(fā)當中，但是離產品化、模塊化還有一定差距。本文以實驗室與上海交通大學共同研制的ZY-1型自主水下航行器為研究對象，從推進裝置設計和運動控制方法2個層面來介紹整個運動平臺系統(tǒng)。之后通過實際的水下試驗測評了航行器的運動控制性能。通過對試驗結果數(shù)據(jù)進行分析，此AUV運行穩(wěn)定，獲得的性能參數(shù)滿足此航行器的設計指標。

1 新型自主水下航行器

上海交通大學與太原科技大學根據(jù)我國深海環(huán)境探測和水下偵察的需求，共同研發(fā)了新型AUV產品樣機，如圖1所示。此新型水下航行器主要面向高機動性與高度自主的應用需求，整體使用模塊化設計，可靈活加減負載。同時為下一步的產品化打下堅實的基礎。

當前，國內外的自主水下航行器主要是欠驅動類魚雷形航行器，此類AUV適合水下機動，但因為其欠驅動的設計使得轉彎半徑較大[4]，此外流線型航行器通常采用舵加槳驅動，使得其控制系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性和強耦合的特性。因此，實驗室自主研發(fā)出一種多推進器的新型自主水下航行器，AUV尾部4個螺旋槳以X形布置。無舵槳，減小運行阻力、轉彎半徑，通過對4個螺旋槳的分別控制，配合以后部導流罩的設計，實現(xiàn)水下航行器在水平面與垂直面上的靈活運動。

該新型AUV為類魚雷流線外形，主要技術指標如下：重量：320 kg；長度：3.3 m；直徑：323 mm；航速：3～5 kn；最大下潛深度：500 m；最大續(xù)航時間：24 h。

此新型AUV分為水下載體平臺與水面命令軟件系統(tǒng)2部分。水下載體平臺用來實際完成探測采集任務，主要由控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、導航系統(tǒng)構成。航行器后部推進器的布置方式為呈X形布置的四螺旋槳推進器，各自可依靠直流電機單獨驅動，通過不同轉速組合造成的推力差來實現(xiàn)運動平臺的轉首與俯仰控制，推進器反轉可實現(xiàn)緊急制動。AUV安裝有前視避障聲吶，側掃聲吶與水速儀，可對水下地形進行精確觀測，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，負責控制程序與任務程序的編寫和下載，以及對水下數(shù)據(jù)的分析，是與AUV進行交互的平臺。

2 新型AUV運動控制

2.1 X形推進器推力分析

圖2所示為AUV在水下的載體坐標系，其在水下的運動方式為繞y軸的俯仰運動與繞z軸的轉首運動。目前國內大多數(shù)AUV采用單推進器組合舵槳的方式進行運動控制，而此新型AUV的控制是由航行器后部4個呈X形分布的螺旋槳完成。為了研究其推進方式，首先需要對X形推進器的推力關系進行分析。

X型推進器控制方式有2種：一種是每個推進器單獨控制；另一種是水平側或者垂直側的2個推進器聯(lián)動。

首先定義如下規(guī)則：

1）4個螺旋槳有效面積相同且電機參數(shù)一致。編號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按逆時針轉動，螺旋槳2和3按順時針轉動，各推進器的轉動慣量大小相等，這就可以抵消機體的自旋，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分別表示推進器部分在Oyz平面沿y軸和z軸受到的合力。當潛航器左轉時，Yx＞0；右轉時，Yx＜0；上升時，Zx＞0；下降時，Zx＜0，合力可由式（1）描述：

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

為了簡化控制可以使用同側螺旋槳聯(lián)動的方式，設

2.2 水平面航向控制

因為AUV在水下無法與陸地基站進行通信，2個坐標點之間的航行完全由AUV自主完成?；谏鲜鲈?，這里提出一種航向糾偏算法。AUV在水下的航行方向是通過電子羅盤指向下一目標坐標點[5]。通常在3級海況及以上，AUV會在海流的作用下偏離初始路徑，這導致AUV在進行海底大尺度距離航行時，必須通過頻繁的上浮水面來接收目標航點才可進行航向糾偏。為了加大其航行效率以及延長水下續(xù)航時間，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，通過自身實時調整航向角來減小路徑偏移量[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內環(huán)控制和航跡PID外環(huán)控制構成。目標位置的經緯度數(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微分計算[7]，通過實現(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Matlab仿真確定，然后在搭建的實驗平臺上通過實際操作，獲得各參數(shù)對運動控制的作用，反復整定，來獲得最佳控制參數(shù)。

其中多普勒計程儀DVL是用于測量AUV在航體坐標系下的三維運動速度向量，通過坐標變換，得到地面坐標系下的速度向量

2.3 垂直面深度/高度控制

AUV在垂直面上的運動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方式，所以其定深控制采用串級PID控制，外環(huán)為深度控制PID，內環(huán)為俯仰控制PID[8]，整個系統(tǒng)控制環(huán)路如圖5所示。

首先通過增加上部2個螺旋槳的轉速來克服AUV在水中的正向浮力，通過改變其轉速可以有效地消除靜差，所以深度PID閉環(huán)并沒有使用積分項。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)來抑制俯仰角的變化速率，來增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9]。內環(huán)俯仰PID的目的是快速對內環(huán)中的各種擾動做出反應。為了增加內環(huán)的調節(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)，為期望目標深度，為深度計測量得到的實時深度，和分別為當前AUV的俯仰角和俯仰角速度。

2.4 參數(shù)整定

在實際的AUV控制系統(tǒng)中，對象往往很復雜，難以建立最為準確的模型。此時，可以根據(jù)之前研究建立的初步模型的響應函數(shù)來調整PID控制參數(shù)[10]，然后在實驗室搭建的實驗平臺上，可以試AUV模擬水平面與垂直面的運動。對AUV進行水平面轉首和垂直面俯仰實驗，根據(jù)實際實驗結果對參數(shù)進行二次整定，參數(shù)整定如表1所示，YAW為水平面轉首，PIT為垂直面俯仰。對AUV進行定深與定向角的測試，角度的變化可以實時地通過傳感器發(fā)送到上位機軟件上，通過觀察試試變化曲線，對PID參數(shù)進行進一步調整。

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

3 試驗

3.1 拖曳水池試驗

為了驗證控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性，此新型AUV在上海交通大學拖曳水池進行多次試驗，并在實驗后將內部儲存的傳感器數(shù)據(jù)導出，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，深度控制誤差在±0.3 m以內。

接著，為了測試新型推進器的機動性能，對不同螺旋槳轉速下AUV的轉彎半徑與轉彎周期進行測量。

3.2 湖上試驗

ZY-1型AUV于2017年3月在千島湖實驗湖區(qū)組織了規(guī)范化湖上實驗，進一步驗證了其運動控制系統(tǒng)的性能，圖8所示為新型AUV正在進行湖上試驗。

為了驗證AUV在垂直面上的定深下潛性能，對其進行了50 m定深下潛試驗，圖9為實時深度曲線，從圖中可見，下潛時間為50 m in，最大下潛深度達到52 m，平均下潛速度約為0.25 m/s。上浮后對數(shù)據(jù)進行分析可知新型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)。

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

4 結 語

本文介紹了新型AUV的后置新型推進器及其控制系統(tǒng)，建立了X型推進器等效控制模型，接著提出了新型AUV在水平面與垂直面上的運動控制方法，并通過自建的實驗平臺對其進行了分析和研究。最后結合大量的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對整個平臺本身的運動控制性能進行評估與驗證。此新型AUV具有易控制、模塊化、低成本等特點，尤其在海洋環(huán)境監(jiān)測與水下偵察等方面具有廣泛的市場，其控制系統(tǒng)也將在未來的新型AUV產業(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，研究方向為機器人技術。