周啟潤(rùn),曾慶軍,姚金藝,朱志宇,戴文文

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江,212003)

0 引言

動(dòng)力定位技術(shù)的研究始于上世紀(jì) 60年代,現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于工程船舶以提高船只的深海作業(yè)能力[1]。隨著自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)的任務(wù)越來(lái)越多樣化,人們對(duì) AUV的使用環(huán)境也提出了更高的要求,不僅需要AUV潛得更深、航行得更遠(yuǎn),還需要AUV能在淺海、湖泊、河道完成更為細(xì)致的勘察工作[2]。出于對(duì)運(yùn)輸和成本的考慮,近水面任務(wù)中使用的 AUV設(shè)計(jì)小巧,難以依靠自身慣性抵抗環(huán)境擾動(dòng)。AUV的動(dòng)力定位是通過(guò)一系列執(zhí)行器(主要是推進(jìn)器)抵消環(huán)境干擾,并使自身以一定的姿態(tài)和距離保持在一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)或基準(zhǔn)線附近[3],這對(duì)提高 AUV運(yùn)動(dòng)控制和水下作業(yè)時(shí)的靈活性和精確性有著重要意義。

AUV多用以巡航式作業(yè),需要一定的速度來(lái)平衡自身的正浮力[4],為了滿足水下定點(diǎn)目標(biāo)識(shí)別、搜救任務(wù),AUV需要配置多個(gè)推進(jìn)器以達(dá)到最有效的控制[5]。Sarkar等[6]結(jié)合最優(yōu)控制變分法原理,設(shè)計(jì)了一種基于滑?？刂频娜?qū)動(dòng)AUV運(yùn)動(dòng)控制律,并通過(guò)仿真證明其有效性。葛暉等[7]考慮以 AUV艏向指向來(lái)流方向來(lái)充分發(fā)揮主推優(yōu)勢(shì),從控制層面針對(duì)全驅(qū)動(dòng) AUV推進(jìn)器進(jìn)行能耗改進(jìn)。Aguiar等[8]基于自適應(yīng)控制通過(guò)航路點(diǎn)引導(dǎo) AUV到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行原地動(dòng)力定位。Pyo等[9]設(shè)計(jì)了一種開架式作業(yè)型AUV用于水下檢測(cè),完成了特定軌跡的圖像拼接試驗(yàn)。

目前,由于能耗和推進(jìn)器效率的問(wèn)題,針對(duì)AUV動(dòng)力定位的研究局限于仿真和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,對(duì)實(shí)際情況下近水面動(dòng)力定位的分析極為有限。文中以全驅(qū)動(dòng)AUV“探海I型”為對(duì)象,進(jìn)行AUV水下動(dòng)力定位湖試分析。在對(duì) AUV的動(dòng)力定位控制中,依靠光纖慣導(dǎo)、多普勒計(jì)程儀和深度計(jì)組成水下航位推算系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前位置,將運(yùn)動(dòng)控制分為姿態(tài)控制和距離控制兩部分,使用比例-積分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制方法計(jì)算所需的推力和轉(zhuǎn)矩,最后對(duì)各推進(jìn)器的推力進(jìn)行分配,使AUV動(dòng)態(tài)保持在給定位置。

1 “探海I型”AUV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“探海I型”AUV具備水面無(wú)線遙控、光纖遙控和水下自主作業(yè) 3種工作模式,外形采用魚雷形設(shè)計(jì),表1為該AUV性能指標(biāo)。

如圖1所示,該AUV主要由艏段、電子艙段、艉段三部分組成:艏段裝有水下燈、攝像機(jī)和避碰聲吶;在電子艙段前后配有 4個(gè)輔助推進(jìn)器,包含2路側(cè)向推進(jìn)器和2路垂向推進(jìn)器,用以對(duì)AUV的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整;艉段主要包含主推進(jìn)器和4個(gè)X型分布的舵,當(dāng)AUV改變內(nèi)部部件時(shí),可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整X型舵的角度來(lái)平衡多余的附加轉(zhuǎn)矩,同時(shí)艉段包含有電磁鐵拋載塊,AUV自身也存在6 N的正浮力,可完成緊急情況下的自救。

圖1 “探海I型”AUV實(shí)體樣機(jī)Fig.1 Physical prototype of T-SEA I type AUV

從結(jié)構(gòu)上劃分,AUV的硬件系統(tǒng)可以分為水面甲板單元和水下 AUV本體2部分,如圖2所示。AUV的主控單元是所有水下硬件系統(tǒng)的核心,由2塊主從PC104板構(gòu)成:一塊PC104作為主控板主要完成與甲板單元的通信、AUV自主導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制;另一塊PC104作為從控板對(duì)聲吶數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,兩者之間通過(guò) 485通信模式傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 “探海I型”AUV硬件配置Fig.2 Hardware configuration of T-SEA I type AUV

“探海 I型”AUV整體采用模塊化設(shè)計(jì),可方便實(shí)現(xiàn)各模塊更換。當(dāng)前試驗(yàn)配備有以下4個(gè)導(dǎo)航傳感器:1)全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS);2)光纖陀螺羅盤;3)深度計(jì);4)多普勒速度計(jì)程儀。

2 全驅(qū)動(dòng)AUV動(dòng)力定位工作原理

AUV動(dòng)力定位系統(tǒng)由位測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力分配三部分構(gòu)成[10],由于水下無(wú)法接收到GPS信號(hào),AUV需要通過(guò)光纖慣導(dǎo)、多普勒計(jì)程儀和深度計(jì)推算實(shí)際位置,通過(guò)PID控制計(jì)算恢復(fù)到目標(biāo)位置的推力與轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn) AUV的動(dòng)力定位。

2.1 位測(cè)系統(tǒng)

AUV動(dòng)力定位控制器依賴于水下位測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量信息,水下位測(cè)系統(tǒng)包含姿態(tài)角測(cè)量、深度測(cè)量和航位推算。姿態(tài)角和深度信息可以通過(guò)光纖慣導(dǎo)和深度計(jì)測(cè)得;航位推算需要定義AUV入水點(diǎn)作為推算起始點(diǎn),以AUV的航向、速度和航行時(shí)間作為依據(jù),從而推算出 AUV在水下的經(jīng)緯度坐標(biāo)[11]。

這里采用地球參考橢球體作為地球的幾何形狀,長(zhǎng)半軸為a,短半軸為b,λ為當(dāng)前位置經(jīng)度坐標(biāo),φ為緯度坐標(biāo),如圖3所示[12]。

圖3 航位推算示意圖Fig.3 Schematic diagram of dead reckoning

首先計(jì)算AUV在GPS坐標(biāo)系下的位移增量

式中:ΔSE、ΔSN為AUV東向、北向的位移增量;ψ為航向角;VE、VN為AUV在東、北方向的速度分量;Vx、Vy分別為多普勒計(jì)程儀測(cè)得的相對(duì)大地的前向速度和左向速度[13]。

AUV的位移增量在緯線圈和子午圈中近似表示為一段圓弧,可以通過(guò)除以曲率半徑得到經(jīng)緯度增量。其中,緯線圈可以看作正圓,并隨緯度增加而變小,子午圈是一個(gè)扁平的橢圓,其第一偏心率

緯線圈曲率半徑r只與緯度φ有關(guān),即

子午圈的橢圓曲率半徑

結(jié)合式(1),在tn(n＞0)時(shí)刻,AUV在水下的經(jīng)緯度可表示為[14]

式中:λ、φ為推算的經(jīng)緯度;λ0、φ0為入水時(shí)經(jīng)緯度。

2.2 控制系統(tǒng)

AUV的動(dòng)力定位控制器采用PID算法,PID算法是將偏差量的比例、積分、微分環(huán)節(jié)相加作用于被控對(duì)象,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制,控制輸出表達(dá)式

式中:kP為比例常數(shù);kI為積分常數(shù);kD為微分常數(shù);e(n)為目標(biāo)值與真實(shí)值間的偏差量。

AUV動(dòng)力定位控制系統(tǒng)需要對(duì)縱傾角、深度、進(jìn)退、平移和航向角5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,在控制器設(shè)計(jì)時(shí),假定各自由度間不存在耦合關(guān)系,對(duì)5個(gè)自由度分別設(shè)計(jì)單通道PID控制器。由于導(dǎo)航傳感器采樣頻率不同,將控制輸出分為姿態(tài)PID控制(縱傾角、航向角)和距離PID控制(進(jìn)退、平移、深度)兩部分進(jìn)行計(jì)算,如圖4所示。

圖4 控制器框圖Fig.4 Block diagram of controllers

在對(duì) AUV的位姿信息處理中,深度、縱傾角、航向角可以將傳感器數(shù)據(jù)直接用于圖4中的位置和姿態(tài)信息,經(jīng)緯度是地球橢球體表面的位置信息,需要轉(zhuǎn)化成平面距離信息再計(jì)算控制偏差。

AUV經(jīng)緯度的平面化使用高斯投影變換,根據(jù)式(2)第一偏心率和式(3)緯線圈曲率半徑可以得到卯酉圈曲率半徑RN和第二偏心率e'

高斯投影變換前需要計(jì)算輔助變量t、m和η

式中,λ0為中央經(jīng)線。

將式(7)與式(8)代入式(9)可以得到適合運(yùn)算的高斯投影平面內(nèi)坐標(biāo)(x',y')

式中:X為子午線弧長(zhǎng)[15]。

當(dāng)已知?jiǎng)恿Χㄎ荒繕?biāo)點(diǎn)在高斯投影平面內(nèi)的坐標(biāo)為(Xobj,Yobj)時(shí),可以計(jì)算進(jìn)退和平移控制偏差(xobj,yobj),即

2.3 推力分配

“探海I型”AUV配備1個(gè)主推進(jìn)器和艏艉4個(gè)輔助推進(jìn)器,各推進(jìn)器的推力需要根據(jù)式(11)進(jìn)行分配

式中:T0為推進(jìn)器補(bǔ)償?shù)耐屏?T1為主推推力;T2、T4為艏艉 2個(gè)側(cè)向推進(jìn)器推力;T3、T5為艏艉 2個(gè)垂向推進(jìn)器推力;TX,TY,TZ,TM,TN分別為進(jìn)退、平移、深度、縱傾角和航向角控制需要的推力和轉(zhuǎn)矩;d2,d3,d4,d5為推進(jìn)器力臂;C為縱傾系數(shù)。

3 AUV動(dòng)力定位湖試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能和抗干擾能力,于2017年11月在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行湖試。試驗(yàn)場(chǎng)湖底平坦,水深范圍5～50 m,湖水流速不大于2 kn,湖面平靜,試驗(yàn)條件較好。試驗(yàn)開始時(shí) AUV航向角16°,如圖5所示,定位深度5 m,目標(biāo)航向270°。試驗(yàn)步驟如下:第1階段,AUV從水下接近給定目標(biāo);第2階段,在目標(biāo)位置處動(dòng)力定位30 min。

表2是AUV在系統(tǒng)穩(wěn)定后的動(dòng)力定位誤差,圖6～圖8是相應(yīng)的動(dòng)力定位狀態(tài)曲線,試驗(yàn)結(jié)果表明,在控制器切換后,AUV能夠快速到達(dá)目標(biāo)位置。雖然因?yàn)榭刂破髑袚Q引起各自由度運(yùn)動(dòng)超調(diào)的現(xiàn)象,但是在動(dòng)力定位系統(tǒng)的作用下,AUV能夠平穩(wěn)過(guò)渡到目標(biāo)狀態(tài),水平位置誤差精度在±0.2 m,滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。

圖7 AUV動(dòng)力定位深度變化Fig.7 Change of depth in AUV dynamic positioning

從圖表上還可以發(fā)現(xiàn),由于受到環(huán)境干擾的影響,AUV運(yùn)動(dòng)存在抖振,尤其是在航向角方面,如圖9～10所示,在水流波動(dòng)的影響下,在1 700 s后AUV航向角發(fā)生偏離,AUV需根據(jù)實(shí)際狀態(tài)不斷調(diào)整、改變艏艉段側(cè)向推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速,實(shí)時(shí)校準(zhǔn)位置和姿態(tài),可有效處理環(huán)境干擾,在一定程度上保證AUV定位的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 AUV姿態(tài)角變化Fig.8 Changes of AUV attitude angles

圖9 航向角干擾Fig.9 Interference of heading angle

圖10 推進(jìn)器轉(zhuǎn)速Fig.10 Speeds of propellers

動(dòng)力定位控制是全驅(qū)動(dòng) AUV運(yùn)動(dòng)控制中的一種重要的控制形式。文中針對(duì)自主研發(fā)的全驅(qū)動(dòng)“探海I型”AUV進(jìn)行水下動(dòng)力定位湖試試驗(yàn)分析,依靠光纖慣導(dǎo)、多普勒計(jì)程儀和深度計(jì)組成水下航位推算系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量定位誤差,根據(jù)定位誤差計(jì)算并分配推力。該方法簡(jiǎn)單易行,實(shí)用性強(qiáng),具備抵抗環(huán)境干擾的能力,能夠保證一定的定位精度。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn) AUV近水面動(dòng)力定位易受環(huán)境擾動(dòng)的問(wèn)題,尤其是姿態(tài)角的擾動(dòng)容易影響聲學(xué)設(shè)備的成像精度,限制了 AUV在水下搜救、目標(biāo)定位等任務(wù)的應(yīng)用。后續(xù)還將對(duì)AUV近水面運(yùn)動(dòng)建立精確的環(huán)境擾動(dòng)、AUV自身和推進(jìn)器系統(tǒng)模型,采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)AUV狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì),并對(duì)干擾進(jìn)行預(yù)測(cè)及補(bǔ)償,從而提高AUV動(dòng)力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。