杜曉飛，顧晴

(1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211167；2.南京工程學(xué)院校長(zhǎng)辦公室，江蘇南京 211167)

0 前言

自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是無纜水下機(jī)器人，它具有活動(dòng)范圍大、機(jī)動(dòng)性好、安全、智能化等優(yōu)點(diǎn)，成為完成各種水下任務(wù)的重要工具[1]。但由于AUV體積有限，自身攜帶的能源不足以支撐其長(zhǎng)時(shí)間、大范圍作業(yè)，通常要把AUV回收到水面平臺(tái)進(jìn)行能源補(bǔ)給和數(shù)據(jù)交換才能使其繼續(xù)工作。水下對(duì)接裝置能夠在水下與AUV進(jìn)行連接，進(jìn)而對(duì)AUV進(jìn)行能源補(bǔ)給和與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而保證AUV能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的連續(xù)作業(yè)[2-3]。美國(guó)麻省理工學(xué)院海洋實(shí)驗(yàn)室和伍茲霍爾海洋研究所研制了“Odyssey-IIB”AUV水下對(duì)接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4部分組成：深水對(duì)接系統(tǒng)、海底固定錨系、淺水區(qū)域降擾動(dòng)機(jī)構(gòu)和水面通信系統(tǒng)[4-5]。美國(guó)蒙特利海灣水下研究中心和伍茲霍爾海洋研究所分別針對(duì)直徑540 mm的“Bluefin”AUV和直徑190 mm的“RUMES”AUV，采用包容式對(duì)接方式開發(fā)了兩套水下對(duì)接裝置。REMUS對(duì)接裝置由錐形導(dǎo)向罩和圓柱形對(duì)接筒組成，AUV依靠超短基線水聲傳感器(USBL)進(jìn)入導(dǎo)向罩并經(jīng)導(dǎo)向罩引導(dǎo)進(jìn)入對(duì)接筒內(nèi)完成對(duì)接。AUV進(jìn)入對(duì)接筒后，對(duì)接裝置通過水密連接器對(duì)其進(jìn)行充電和數(shù)據(jù)交換[6-8]。2009年，韓國(guó)海洋工程研究中心針對(duì)“ISIMI”號(hào)AUV同樣采用包容式對(duì)接方式研制出一套水下對(duì)接裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用導(dǎo)向罩對(duì)AUV進(jìn)行引導(dǎo)使其進(jìn)入對(duì)接裝置內(nèi)[9]。近年來，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋探測(cè)、開發(fā)的重視，水下機(jī)器人的下潛深度不斷加大，這對(duì)于水下機(jī)器人的續(xù)航及作業(yè)能力提出了更高的要求。因此，研制一套適用于1 000 m以上大深度的水下對(duì)接裝置對(duì)于提高深海探測(cè)能力具有十分顯著的效果。水下對(duì)接裝置工作時(shí)需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，而液壓系統(tǒng)具有體積小、功率大的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足對(duì)接裝置的動(dòng)力需求。為實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝置在深海環(huán)境下自動(dòng)工作，本文作者研制了對(duì)接裝置控制系統(tǒng)。針對(duì)控制系統(tǒng)性能，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，通過引入PID算法提高控制系統(tǒng)性能，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 對(duì)接裝置總體方案研究

本文作者研制的水下對(duì)接裝置有特定的目標(biāo)AUV與其進(jìn)行對(duì)接，目標(biāo)AUV直徑為560 mm，總長(zhǎng)度為5 100 mm，空氣中質(zhì)量為750 kg，外殼主要材質(zhì)為玻璃鋼，AUV底部為平面并設(shè)有充電對(duì)接口，上部設(shè)有方便起吊的圓形吊耳，尾部設(shè)有應(yīng)答天線及主推進(jìn)器，其三視圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)AUV三視圖

根據(jù)對(duì)接的需求，本文作者確定了水下對(duì)接的流程：

(1)對(duì)接時(shí)先將對(duì)接裝置吊放到海底，此時(shí)，導(dǎo)向罩的開口方向不一定與海流方向保持一致，對(duì)接裝置設(shè)有檢測(cè)海流方向的流速流向計(jì)，通過流速流向計(jì)下水前和在水中穩(wěn)定后兩個(gè)狀態(tài)的角度變化即可計(jì)算出導(dǎo)向罩開口方向與海流方向的夾角。通過對(duì)接裝置的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)向罩的開口方向，并通過裝置上方水平放置的電子羅盤實(shí)時(shí)檢測(cè)導(dǎo)向罩轉(zhuǎn)過的角度，從而判斷是否調(diào)整到位，當(dāng)調(diào)整到位后，制動(dòng)機(jī)構(gòu)完成對(duì)軸的抱死，使導(dǎo)向罩方向不再變化。

(2)上述過程完成以后，由于海底并不是絕對(duì)的水平，這時(shí)的對(duì)接裝置可能存在一定的橫滾、俯仰角度，調(diào)平模塊可調(diào)節(jié)裝置的姿態(tài)，通過電子羅盤實(shí)時(shí)反饋裝置的橫滾角和俯仰角從而判斷對(duì)接裝置是否水平。調(diào)平動(dòng)作完成后，AUV在水下位姿傳感器的引導(dǎo)下進(jìn)入對(duì)接裝置，錐形導(dǎo)向罩對(duì)其有引導(dǎo)作用，當(dāng)AUV到達(dá)指定位置時(shí)，AUV上部的吊耳會(huì)觸碰到對(duì)接裝置的定位模塊，定位模塊中的位置傳感器發(fā)出信號(hào)，指示AUV已到位。

(3)AUV到位后，鎖緊模塊上升，到達(dá)合適位置后由位置檢測(cè)傳感器發(fā)出到位信號(hào)，由下位機(jī)自動(dòng)控制其停止運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)AUV的鎖緊。然后充電模塊向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)合適位置與AUV的充電口進(jìn)行非接觸式充電和數(shù)據(jù)交換，充電模塊同樣設(shè)有位置檢測(cè)傳感器。待對(duì)接裝置對(duì)AUV完成充電和信息交換后，鎖緊模塊和充電模塊向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)初始位置從而與AUV脫離接觸，AUV依靠自身動(dòng)力退出對(duì)接裝置，從而完成全部的對(duì)接過程。

設(shè)計(jì)的對(duì)接裝置如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)向罩、對(duì)接筒、水下攝像機(jī)、應(yīng)答天線以及充電、鎖緊、調(diào)平、定位等各功能模塊，裝置底部圓盤上固定有液壓艙、電子艙等。對(duì)接裝置高3 400 mm(底座到導(dǎo)向罩上邊緣最高點(diǎn)距離)，導(dǎo)向罩為圓錐形，材質(zhì)為玻璃鋼，厚度8 mm，上方開有引導(dǎo)AUV進(jìn)入的導(dǎo)向槽，導(dǎo)向罩入口處直徑為2 000 mm，與對(duì)接筒接口處直徑為640 mm。導(dǎo)向罩與對(duì)接筒通過法蘭進(jìn)行連接，法蘭外徑為660 mm。

圖2 對(duì)接裝置三維模型

2 液壓及控制系統(tǒng)研制

根據(jù)對(duì)接裝置的功能設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝置的精確運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮到深海工作的環(huán)境，采用壓力補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)了以水-乙二醇為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，原理如圖3所示。

圖3 水-乙二醇液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)回路主要包括制動(dòng)回路、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)回路、調(diào)平回路、鎖緊回路、充電回路，每個(gè)回路都是單獨(dú)動(dòng)作。采用壓力補(bǔ)償技術(shù)，液壓系統(tǒng)帶有一個(gè)體積較小的補(bǔ)償器。補(bǔ)償器的作用一是將外界海水壓力補(bǔ)償?shù)揭簤汗苈分?，二是補(bǔ)償液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)因有桿腔和無桿腔容積變化引起的水-乙二醇液壓液體積的變化。此外，閉式液壓系統(tǒng)還具有壓力損失較小、換向沖擊小的優(yōu)點(diǎn)。采用液壓密封艙的形式將液壓泵、電機(jī)、電磁換向閥、調(diào)速閥等元件密封在艙內(nèi)，液壓馬達(dá)、液壓缸等執(zhí)行元件能夠耐海水腐蝕，直接暴露在海水中。

對(duì)接裝置各功能模塊及液壓系統(tǒng)動(dòng)作及信號(hào)反饋需要設(shè)計(jì)控制傳感器及執(zhí)行器。根據(jù)各模塊的需求，分析了對(duì)接裝置控制系統(tǒng)所需的執(zhí)行器及傳感器：調(diào)平模塊需要對(duì)對(duì)接裝置的橫滾角和俯仰角進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，制動(dòng)回轉(zhuǎn)模塊需要對(duì)對(duì)接裝置導(dǎo)向罩的航向角度進(jìn)行檢測(cè)和反饋。本文作者選用無錫惠聯(lián)公司生產(chǎn)的SEC385型高精度電子羅盤對(duì)上述3個(gè)角度進(jìn)行檢測(cè)。鎖緊模塊及充電模塊采用的3個(gè)位置反饋式液壓缸設(shè)有接近開關(guān)。此外，當(dāng)AUV進(jìn)入對(duì)接裝置對(duì)接筒后，為了檢測(cè)AUV是否到位，定位模塊也采用了兩個(gè)同樣型號(hào)的接近開關(guān)。因此控制系統(tǒng)需要對(duì)總計(jì)8個(gè)接近開關(guān)進(jìn)行信號(hào)采集。液壓系統(tǒng)設(shè)有壓力傳感器，能夠?qū)ο到y(tǒng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。液壓系統(tǒng)共有6個(gè)電磁換向閥，根據(jù)電磁換向閥的工作原理，設(shè)計(jì)了繼電器模塊控制電磁換向閥的工作。每個(gè)模塊有8路繼電器，采用24 V電源為繼電器提供工作電壓，繼電器的觸發(fā)方式為高電平觸發(fā)，通過下位機(jī)引腳的高低電平可直接控制繼電器通斷?？刂菩盘?hào)電路和繼電器工作電路采用了光耦隔離的方式，保證了下位機(jī)電路的安全性。上述傳感器及控制器與下位機(jī)主控芯片共同構(gòu)成了下位機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

結(jié)合具體的對(duì)接流程，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件。軟件結(jié)構(gòu)采用中斷循環(huán)相結(jié)合的形式，結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的需要，將下位機(jī)主控制單元程序劃分為3個(gè)主要任務(wù)，分別為傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)、串口數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)、指令執(zhí)行任務(wù)。

圖5 控制軟件工作流程

3 控制系統(tǒng)建模

選取鎖緊機(jī)構(gòu)液壓回路作為研究對(duì)象，建立了鎖緊回路的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到了鎖緊回路系統(tǒng)傳遞函數(shù)并進(jìn)行仿真。由于充電回路和鎖緊回路均采用同規(guī)格的液壓缸驅(qū)動(dòng)，因此針對(duì)鎖緊回路的建模仿真對(duì)于所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)其他回路具有較高的代表性和參考意義。

鎖緊回路主要由下位機(jī)、比例放大器、比例伺服閥、液壓缸及位置檢測(cè)傳感器組成，原理如圖6所示。工作時(shí)，由上位機(jī)界面輸給下位機(jī)液壓缸需要運(yùn)動(dòng)的行程，下位機(jī)控制比例伺服閥開啟，液壓缸驅(qū)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，位置檢測(cè)傳感器對(duì)液壓缸活塞桿行程進(jìn)行反饋。

圖6 鎖緊回路原理

由于液壓回路實(shí)際工作時(shí)受到很多因素影響，因此對(duì)于液壓系統(tǒng)建模假設(shè)條件如下：(1)控制閥為理想的零開口四通滑閥，4個(gè)節(jié)流口對(duì)稱且匹配；(2)閥具有理想的響應(yīng)能力，閥芯的位移、閥壓降的變化所產(chǎn)生的流量變化能在瞬間發(fā)生；(3)液壓缸為理想的單出桿液壓缸；(4)供油壓力恒定，回油壓力為零；(5)液壓缸的每個(gè)工作腔壓力處處相等，油液溫度和容積彈性模量可看作常數(shù)。

閥控液壓缸的傳遞函數(shù)[10]為

(1)

由實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線得到伺服閥輸入電壓信號(hào)對(duì)液壓缸位移的增益為

(2)

閥控液壓缸控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示。

圖7 閥控液壓缸控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

在不計(jì)干擾力FL的情況下，由控制系統(tǒng)框圖得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

前面已得出閥控液壓缸的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(4)

因此式(3)可以表示為

(5)

4 系統(tǒng)仿真

通過MATLAB對(duì)上節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

分析圖8可以看出：鎖緊回路液壓控制系統(tǒng)的相位裕量為33.9 dB，幅值裕量為89.9°，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的開環(huán)穿越頻率為0.476 rad/s，表明系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。系統(tǒng)的相位裕量為89.9°，高于工程上常取的40°～60°。相位裕量大，穩(wěn)定性好，但響應(yīng)速度慢。因此，應(yīng)運(yùn)用控制算法提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度以滿足控制系統(tǒng)的要求。

PID算法具有較高的控制精度和魯棒性，在工程中得到廣泛應(yīng)用[11]。為了確定合適的PID參數(shù)，利用MATLAB的優(yōu)化工具對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立的系統(tǒng)框圖如圖9所示。優(yōu)化前首先設(shè)定好階躍響應(yīng)曲線的上升時(shí)間、超調(diào)量以及穩(wěn)定時(shí)間等約束條件，工具箱通過不斷的模擬最終選擇出滿足要求的控制器參數(shù)，其值為Kp=2.5，Ki=0.01，Kd=0.02。

圖9 用MATLAB搭建的系統(tǒng)仿真框圖

加入?yún)?shù)為Kp=2.5、Ki=0.01、Kd=0.02的PID控制器，表1列出了加入PID控制器和未加控制器的系統(tǒng)對(duì)單位階躍信號(hào)響應(yīng)的結(jié)果對(duì)比。相對(duì)于未加入PID控制器的控制系統(tǒng)，加入PID控制器后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短了55.5%。按照對(duì)接的技術(shù)指標(biāo)，鎖緊過程的時(shí)間應(yīng)在5～10 s之間，因此加入PID算法后，控制系統(tǒng)能夠滿足對(duì)接技術(shù)指標(biāo)的要求。未加入PID控制器時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后存在著33.3%的衰減，加入PID控制器后消除了衰減，提高了控制系統(tǒng)的性能。

表1 鎖緊回路液壓控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

5 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有對(duì)接技術(shù)的特點(diǎn)及不足，提出一種新型的適用于大深度海底環(huán)境的水下對(duì)接裝置，相比其他對(duì)接裝置，研制的對(duì)接裝置能夠穩(wěn)定地工作在深海環(huán)境。

(2)設(shè)計(jì)了以水-乙二醇液壓液為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)方案，進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)，并分析了液壓系統(tǒng)各回路具體的動(dòng)作過程，并研制了液壓系統(tǒng)實(shí)物。

(3)研制了對(duì)接裝置控制系統(tǒng)，采用PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：加入PID控制算法后系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)后無衰減，滿足對(duì)接裝置的技術(shù)要求。