宋晨嘉, 劉貴杰, 馬 琪, 王新寶, 田曉潔??

(1.中國海洋大學工程學院, 山東 青島 266100; 2.中國人民解放軍海軍潛艇學院, 山東 青島 266199;3.青島森科特智能儀器有限公司, 山東 青島 266001)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖是海洋產(chǎn)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè),是中國海洋經(jīng)濟的重要增長點[1]。在網(wǎng)箱養(yǎng)殖的過程中,海洋生物在養(yǎng)殖網(wǎng)箱上的有害附著會阻礙水體流動,使養(yǎng)殖網(wǎng)箱內水體惡化,進而污染養(yǎng)殖環(huán)境,引起魚病頻發(fā)、養(yǎng)殖魚類品質下降,嚴重時還會造成網(wǎng)衣破損。因此,對網(wǎng)箱網(wǎng)衣清理是非常必要的。傳統(tǒng)網(wǎng)箱的網(wǎng)衣清洗主要以人工清除和藥物清洗為主:人工清洗勞動強度大,且效率低;藥物清洗價格昂貴、工序復雜[2]。隨著漁業(yè)裝備技術的發(fā)展,網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗設備應運而生?，F(xiàn)有的網(wǎng)衣清洗機主要有機械毛刷網(wǎng)衣清洗機、射流毛刷組合網(wǎng)衣清洗機和高壓射流網(wǎng)衣清洗機。國內、外一些公司、機構通過水下履帶式機器人搭載網(wǎng)衣清洗裝置,設計了幾款網(wǎng)衣清洗機器人,如美國Yammar Marine公司采用高壓水和毛刷結合的清洗方式,設計了履帶式網(wǎng)衣清洗機器人;挪威AKVA group公司和MPI公司的網(wǎng)衣清洗裝備則是半自動的有纜洗網(wǎng)裝置,其洗網(wǎng)作業(yè)是自動的,但是洗網(wǎng)裝置的運動是依靠人工移動;廣東海洋大學設計一種履帶式深海網(wǎng)箱清洗機器人,依靠反沖裝置和兩組履帶輪貼附網(wǎng)衣表面行走,同時以高壓旋轉式射流清洗網(wǎng)衣[3]。由于網(wǎng)衣清洗機器人多是履帶式水下機器人,只能貼附網(wǎng)衣運動,運動范圍受限,并且清洗時間較長,因此筆者所在課題組設計了一款新型網(wǎng)衣清洗機器人,該機器人可在水中全自由度運動,對網(wǎng)箱的網(wǎng)衣進行清洗。

隨著海洋工程技術的發(fā)展,開發(fā)和使用能夠適應各種復雜環(huán)境的水下機器人的任務變得尤為重要[4],而水下機器人的穩(wěn)定運動控制是網(wǎng)衣清洗機器人有效工作的關鍵。水下機器人的控制方法有比例積分微分(PID)控制、模糊控制和滑模變結構控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和模型預測控制等。Tehrani等[5]用PID控制器實現(xiàn)對數(shù)字高程模型(DEM)水機器人的定深控制。Shang等[6]將PID算法和模糊控制算法相結合,實現(xiàn)水下機器人的航向和速度的控制。Ishii等[7]在完成水下機器人航向控制、路徑跟蹤的過程中使用了自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法。Joe等[8]設計了一種滑模控制器,可實現(xiàn)水下機器人的三維軌跡跟蹤。Sun等[9]通過使用自適應切換項的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法,解決滑?？刂浦写嬖诘亩墩瓞F(xiàn)象,實現(xiàn)水下機器人的軌跡跟蹤。鄒博[10]在對水下機器人姿態(tài)進行控制的過程中,使用新型非奇異滑?？刂扑惴?解決了總段滑?？刂破饔衅娈慄c的問題。

在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中,魚類生長與養(yǎng)殖網(wǎng)箱內水體流動密切相關。養(yǎng)殖網(wǎng)箱內水流的速度決定了養(yǎng)殖網(wǎng)箱內部水體的交換速度,對箱內養(yǎng)殖環(huán)境有明顯的影響[1]。同時,養(yǎng)殖網(wǎng)箱內水體的流動會影響網(wǎng)衣清洗機器人的穩(wěn)定運動,因此,在海流干擾情況下,對網(wǎng)衣清洗機器人的穩(wěn)定控制,也是網(wǎng)衣清洗機器人設計中的一個重要方面。本文建立了此款網(wǎng)衣清洗機器人海流干擾下的數(shù)學模型。針對網(wǎng)衣清洗機器人的工作方式和海流干擾,設計串級-前饋PID控制器,取得一定的控制效果。在串級-前饋PID控制器的基礎上,增加模糊控制器,提高網(wǎng)衣清洗機器人抗海流干擾能力,并加快響應速度,改善控制效果。

1 網(wǎng)衣清洗機器人模型

對此款網(wǎng)衣清洗機器人建立三維模型,并根據(jù)模型進行分析后,建立了海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人運動動力學模型。

1.1 網(wǎng)衣清洗機器人簡介

網(wǎng)衣清洗機器人三維模型如圖1所示,網(wǎng)衣清洗機器人由8個推進器組成,豎直方向有4個推進器,水平方向布置有4個推進器,可實現(xiàn)全自由度運動。在機器人的兩側搭載滾輪毛刷。網(wǎng)衣清洗機器人調整姿態(tài)使?jié)L輪貼附網(wǎng)衣,滾輪對向旋轉,對網(wǎng)衣進行清洗。其工作狀態(tài)如圖2所示。

圖1 網(wǎng)衣清洗機器人Fig.1 Net clothing cleaning robot

圖2 工作狀態(tài)示意圖Fig.2 Working state diagram

1.2 海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人模型

根據(jù)國際拖曳水池會議及造船和輪機工程學會推薦的坐標系[11-12],建立了地面坐標系和機體坐標系兩種右手坐標系。水下機器人在地面坐標系和機體坐標系下的速度轉換用如下公式表示出來:

(1)

養(yǎng)殖網(wǎng)箱中有海流流動,網(wǎng)衣清洗機器人在網(wǎng)箱中工作時會受到海流的干擾。為便于網(wǎng)衣清洗機器人控制器的設計,本文建立海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人模型。

本文設計的網(wǎng)衣清洗機器人由水下機器人發(fā)展而來,因此網(wǎng)衣清洗機器人的運動動力學模型為:

(2)

式中:M為慣性矩陣;C(v)從為科式力矩陣;D(v)為阻尼矩陣;g(η)為重浮力矩陣;τ為推力矩陣。

本文通過坐標間的變換,將海流干擾施加在網(wǎng)衣清洗機器人上。首先通過海流的流速、側滑角、攻角等參數(shù)將海流分解在地面坐標系下,然后通過地面坐標系與機體坐標系間的相互轉換,將分解在大地坐標系下的海流速度轉換到機體坐標系下,與原網(wǎng)衣清洗機器人速度相比較,得到網(wǎng)衣清洗機器人相對于海流的相對速度,進而建立海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人模型[13]。

海流在地面坐系下可以如下表達:

(3)

式中:uf、vf和wf分別為海流相對于地面坐標系x、y和z方向的平移速度;U為海流相對于地面坐標系的速度;Rf,E為海流到地面坐標系的坐標轉換矩陣,且

(4)

式中:α為海流相對于地面的側滑角;β為海流相對于地面的攻角。

在得到海流在地面坐標系下的表達后,可以通過地面坐標系和機體坐標系的坐標轉換,得到海流在機體坐標下的表達:

(5)

式中:uc、vc和wc分別為海流相對于機體坐標x、y和z方向的平移速度。

在網(wǎng)衣清洗機器人六自由度方程中,假設海流無旋流的情況下,采用相對運動的概念將海流的作用考慮進去,得

(6)

式中:ur、vr和wr分別為海流作用下機器人相對于地面坐標x、y和z的平移速度;u、v和w分別為機體坐標x、y和z的平移速度;p、q和r分別為機體繞坐標自由度x、y和z的旋轉速度。

因此,海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人的運動動力學方程可以寫成:

(7)

(8)

2 仿真模型建立

2.1 模型建立

在得到海流干擾下網(wǎng)衣機器人動力學方程后,在MATLAB中對海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人進行模型搭建,其建模流程如圖3所示。

圖3 海流干擾下網(wǎng)衣清洗機器人建模流程Fig.3 Modeling process of Net clothing cleaning robot under ocean current interference

2.2 模型驗證

PID控制是一種基于反饋的控制方式,由于其原理簡單、參數(shù)調節(jié)容易、適應性較強且控制效果較好[14],因此PID控制是機器人控制廣泛采用的控制方法。本文采用PID控制方法對仿真模型進行驗證。使網(wǎng)衣清洗機器人進行空間螺旋運動, 其仿真效果如圖4所示。

圖4 模型驗證軌跡圖Fig.4 Model validation trajectory diagram

從圖4中可以看出,網(wǎng)衣清洗機器人可以做空間螺旋運動,但是由于網(wǎng)衣清洗機器人在進行螺旋運動的過程中,受到海流的影響,偏離預定軌跡。由此可以驗證該模型的正確性,另一方面也說明了,單PID控制不能很好的滿足網(wǎng)衣清洗機器人在有海流情況下的控制。

3 串級-前饋PID控制

3.1 擾動機理

為了保持水下機器人的橫穩(wěn)性,使水下機器人的浮心位于重心豎直方向之上,且浮力大于重力。水下機器人發(fā)生傾斜時,重力和浮力會產(chǎn)生扶正力矩[15],重力和浮力的合力會沿著機體坐標,分解為沿Y軸和Z軸的2個力,這兩個力在旋轉的過程中會隨著姿態(tài)角度的變化而變化,進而對相關方向的運動產(chǎn)生擾動,影響水下機器人運動的穩(wěn)定性(見圖5)。

圖5 網(wǎng)衣清洗機器人擾動機理Fig.5 Disturbance mechanism of net clothing cleaning robot

3.2 串級-前饋PID控制設計

用一個PID控制器的輸出作為另一個PID控制器的設定值,這樣連接起來的兩個PID控制器稱作是“串級PID控制”。2個PID控制器都有各自的測量輸入,但只有主控PID控制器具有自己獨立的設定值,主控PID控制器的輸出值作為副PID控制器的設定值,副PID控制器的輸出信號作用于控制信號。這樣的組成系統(tǒng)稱為串級PID控制系統(tǒng)。串級PID控制系統(tǒng)有以下特點:(1)具有較強的抗干擾能力;(2)能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性;(3)能適應負荷和操作條件的劇烈變化[16]。

前饋控制的基本原理就是根據(jù)進入系統(tǒng)擾動量(包括設定值變化和外界擾動)的方向和大小產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量,使被控變量維持在設定值上。前饋控制系統(tǒng)又稱“擾動補償”系統(tǒng)[17]。

根據(jù)網(wǎng)衣清洗機器人的擾動機理,結合串級PID和前饋控制的特點,設計了串級-前饋PID控制器。其控制框圖如圖6所示,位置姿態(tài)作為串級PID控制外環(huán),速度環(huán)作為串級PID控制環(huán)內環(huán),并且根據(jù)網(wǎng)衣清洗機器人的姿態(tài)角,計算出擾動力后,反饋給速度環(huán),完成前饋閉環(huán)控制。

圖6 串級-前饋PID控制流程Fig.6 Cascade-feed forward PID control flow

3.3 串級-前饋PID海流控制仿真分析

設定在養(yǎng)殖網(wǎng)箱中,海流流速為0.2 m/s,側滑角為30°,攻角為0°。當網(wǎng)衣清洗機器人在養(yǎng)殖網(wǎng)箱中工作時,橫揺角為90°,然后沿Z方向運動。對此運動情況進行仿真。其仿真結果如圖7所示。

圖7 串級-前饋PID控制仿真圖Fig.7 Model validation trajectory diagram

對仿真結果進行分析可以發(fā)現(xiàn),網(wǎng)箱中的海流對網(wǎng)衣清洗機器人的運動產(chǎn)生了干擾。X方向和Y方向響應的過程中產(chǎn)生較大的超調量,且穩(wěn)定時間較長,同時對Z方向的響應和橫揺角的響應也有一定程度的影響。經(jīng)過一定時間后,網(wǎng)衣清洗機器人達到穩(wěn)定狀態(tài),說明串級-前饋PID控制器在海流干擾下的控制具備有效性。

3.4 不同海流干擾下的分析

在串級-前饋PID控制的基礎上,探究不同流速的海流對網(wǎng)衣清洗機器人運動的干擾。在簡化模型后,對不同流速下的海流干擾進行仿真。在海流側滑角和攻角均為0°的情況下(即網(wǎng)衣清洗機器人的X方向為海流的迎流面),在網(wǎng)衣清洗機器人沿Z方向運動工作的過程中,施加不同流速的海流,其仿真結果如圖8所示。對仿真結果進行分析,因X方向為迎流方向,隨著海水流速增大,其響應過程中,超調量增大,說明海水流速越大,對網(wǎng)衣清洗機器人的影響越大。由于網(wǎng)衣清洗機器人的非線性運動耦合作用,Y方向也會受到海流的影響,隨著海水流速增大,Y方向的超調量增大,且穩(wěn)定時間變長。當海水流速達到0.45 m/s后,網(wǎng)衣清洗機器人發(fā)生抖動失穩(wěn)。說明串級-前饋PID對海流的干擾有一定的抵抗能力,但是隨著海水流速的增大,其控制效果減弱。

圖8 不同流速海流干擾仿真Fig.8 Simulation of ocean current interference with different velocity

不同側滑角的海流對網(wǎng)衣清洗機器人也會產(chǎn)生不同的影響。在簡化模型后,對工作中橫揺角為90°、沿Z方向運動的網(wǎng)衣清洗機器人施加不同側滑角的海流,然后對此進行仿真(見圖9)。對X方向和Y方向的響應曲線進行觀察,可以發(fā)現(xiàn)不同側滑角的海流根據(jù)側滑角分解為2個力,且對網(wǎng)衣清洗機器人相應的2個方向的響應造成干擾。同時,由于此時網(wǎng)衣清洗機器人的橫揺角為90°,還受到重力和浮力的影響,使Y方向的響應和穩(wěn)定更加復雜。

圖9 不同方向海流干擾仿真圖Fig.9 Simulation diagram of current interference in different directions

4 模糊控制

采用PID或者改進PID對網(wǎng)衣清洗機器人進行控制,有較大的局限性,一方面需要長時間的進行參數(shù)的調節(jié),另一方面不同的工作情況需要不同的參數(shù)。模糊控制理論具有容易構造、魯棒性好的特點,并且可以根據(jù)不同的狀態(tài)推斷出較為合適的控制量,另外Y方向的響應反應的是網(wǎng)衣清洗機人和網(wǎng)衣的貼合程度,因此本研究采用模糊控制改善網(wǎng)衣清洗機器人的Y方向運動。

4.1 模糊控制器設計

模糊控制器的基本工作原理是,首先將輸入的數(shù)字信號進行模糊化(D/F),變成模糊量;然后輸入含有模糊規(guī)則的模糊推理機,經(jīng)過處理得出模糊集合;最后通過解模糊化(F/D)變成清晰量,輸出到下一級去控制被控對象,實現(xiàn)對目標的控制[18]。本文采用的模糊控制器的原理如圖10所示。

(e:輸入誤差Input error;Δe:輸入誤差變化率 Input error rate of change;t:響應時間Response time;ke:e對應的比例因子Scale factor; kΔe:Δe對應的比例因子Scale factor;U:控制輸出量 Control output volume;E:誤差值Error values;CE:誤差變化率 Error rate of change。)圖10 模糊控制原理圖Fig.10 Fuzzy control schematic diagram

該模糊控制器選取網(wǎng)衣清洗機器人Y方向和目標方向間誤差值e和誤差變化率為模糊控制的兩個輸入變量,取控制網(wǎng)衣清洗機器人Y方向運動的信號U作為輸出變量,依靠推進器的推力調整網(wǎng)衣清洗機器人的運動,使其回到目標位置。采用7個詞匯對輸入輸出變量進行描述,即NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。兩個輸入變量在分別乘以量化因子10和20后,得到誤差值E和誤差變化率CE,其模糊論域分別為[-30,30]和[-60,60],隸屬度函數(shù)均采用雙S隸屬度函數(shù)。輸出變量U的模糊論域為[-3.75,0.75],隸屬度函數(shù)采用的是高斯函數(shù)。輸入輸出的隸屬度曲線如圖11所示。

圖11 輸入輸出隸屬度函數(shù)曲線Fig.11 Input/output membership function curve

在模糊控制器中分別用七個語言模糊集來描述兩個輸入變量和一個輸出變量,根據(jù)網(wǎng)衣清洗機器人的實際運行規(guī)律,由49條“IF-THEN”型式的模糊條件構建模糊控制規(guī)則(見表1)。

表1 模糊控制規(guī)則Table 1 Fuzzy control rule

在解模糊化時,采用Mamdani類型的推理方式,選擇重心法對輸出量進行去模糊化。通過去模糊化處理得到模糊控制模型輸出曲面(見圖12)。

圖12 模糊控制輸出曲面Fig.12 Fuzzy control output surface

4.2 模糊控制仿真分析

對前面串級-前饋PID控制器的效果進行分析,發(fā)現(xiàn)Y方向的響應波動較大,且穩(wěn)定時間較長。因此在串級-前饋PID控制的基礎上,對Y方向的控制器改進,用設計的模糊控制器代替Y方向位置環(huán)的PID控制器,其控制示意圖如圖13所示。

圖13 模糊控制流程Fig.13 Fuzzy control flow

對改進的控制器進行仿真,設定海流流速為0.2 m/s,側滑角為30°,攻角為0°。網(wǎng)衣清洗機器人在橫揺角為90°的情況下,沿Z方向運動工作。對此通過對工作狀態(tài)進行仿真(仿真結果見圖14)可以發(fā)現(xiàn),Y方向的穩(wěn)定時間變少,穩(wěn)定速度加快?？梢缘贸瞿：刂破鞯膽脤W(wǎng)衣清洗機器人的控制有改進效果,但是由于模糊控制器需要經(jīng)驗積累,其控制效果仍有改善的空間。

圖14 模糊控制仿真圖Fig.14 Model validation trajectory diagram

5 結論

(1)建立海流干擾下的網(wǎng)衣清洗機器人六自由度模型,通過MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型,并用PID驗證模型的正確性。

(2)針對網(wǎng)衣清洗機器人的工作情況,采用串級PID控制,根據(jù)網(wǎng)衣清洗機器人擾動機理,加入前饋控制,形成串級-前饋PID,會有較好的控制效果;在有一定海流干擾的情況下,會增加網(wǎng)衣清洗機器人運動的穩(wěn)定性。

(3)在串級-前饋PID控制的基礎上,針對Y方向,設計加入了模糊控制器,進一步減少穩(wěn)定時間,并改善了網(wǎng)衣清洗機器人的控制效果,滿足工作要求。