AUV水下空间运动自动控制仿真_胡中惠.pdf

AUV 水下空间运动自动控制仿真水下空间运动自动控制仿真胡中惠1,2,3，沈丹1,2,3，王磊1,2,3，杨申申1,2,3(1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2.深海技术科学太湖实验室，江苏无锡214082；3.深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡214082)摘 要:以某 AUV 为研究对象，基于六自由度空间运动数学模型，对 AUV 进行受力分析，应用工程中常用的增量式 PID 控制方法，形成 AUV 水下空间运动自动控制仿真计算的数学模型。分别采用空间运动数学模型和平面运动数学模型进行典型空间运动仿真计算。通过对比分析可以看出，当 AUV 在水下进行空间运动时，其水平面运动与垂直面运动之间的耦合作用不可忽略，该耦合作用将直接影响 AUV 的操纵律和空间运动的控制律。研究结果可为 AUV 水下空间运动的自动控制研究、设计和应用等提供参考，具有一定的工程价值。关键词：AUV；运动模型；自动控制；计算机仿真中图分类号：U674.941文献标识码：A文章编号：16727649(2023)12005706doi：10.3404/j.issn.16727619.2023.12.011Research on automatic control simulation of AUV underwater space motionHUZhong-hui1,2,3,SHENDan1,2,3,WANGLei1,2,3,YANGShen-shen1,2,3(1.ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China;2.TaihuLaboratoryofDeepseaTechnologicalScience,Wuxi214082,China;3.StateKeyLaboratoryofDeep-seaMannedVehicles,Wuxi214082,China)Abstract:Themathematicalmodelofsingleplanemotionisnolongerapplicable.TakinganAUVastheresearchob-ject,basedonthe6-DOFspatialmotionmathematicalmodel,theforceanalysisofAUViscarriedout.AndtheincrementalPIDcontrolmethodcommonlyusedinengineeringisappliedtoformthemathematicalmodelofAUVunderwaterspacemo-tionautomaticcontrolsimulationcalculation.Thespacemotionmathematicalmodelandplanemotionmathematicalmodelareusedtosimulatethetypicalspacemotion.Troughcomparativeanalysis,itcanbeseenthatwhenAUVmovesinspaceunderwater,thecouplingeffectbetweenhorizontalandverticalplanemotioncannotbeignored.AndthiscouplingeffectwilldirectlyaffectthecontrollawofAUVandspacemotion.Theresearchresultscanprovidereferencefortheresearch,designandapplicationofAUVautomaticcontrolofunderwaterspacemotion,andhavecertainengineeringvalue.Key words:AUV；motionmodel；automaticcontrol；simulation0引言水下无人航行器（autonomousunderwatervehicle，AUV）具有自主决策和控制能力，在海洋安全、海洋开发、海洋科研等领域发挥重要作用，是世界海洋强国竞相发展的重要装备之一1。航行控制，特别是航行过程中对航向和深度的控制是 AUV 高效执行水下任务的重要基础。国内多位学者在 AUV 航向和深度控制方面做了一系列研究工作，罗建超2、雷江航3、饶志荣4、李泽宇5、梅新华6等采用垂直面运动数学模型对 AUV 的深度控制进行研究，胡坤7、聂为彪8、于浩洋9、陈恳10等采用水平面运动数学模型对 AUV 的航向控制进行了研究。水平面/垂直面运动数学模型是在平面运动假设的前提下简化分解而得到的，详细推导见文献 11。平面/运动数学模型认为只改变航向而不改变深度，或只改变深度而不改变航向，并忽略 2 个平面之间的耦合作用。但 AUV 由于外伸信标、天线、推力器、舵翼、起吊点等多种附体，整体外形复杂，导致其空间运动具有非线性、强耦合的特点，AUV 在前进、变向的同时，还将伴随变深、姿态的变化，此时单平面的运动数学模型将不再适用。因此，采用六自由度空间运动数学模型研究航行控制更能反映 AUV 水下空间运动的真实情况，具有重要意义。本文以某 AUV 为研究对第 45卷第12期舰船科学技术Vol.45,No.122023年6月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.,2023收稿日期:20220602作者简介:胡中惠(1988)，男，高级工程师，研究方向为潜水器总体设计研究。象，基于六自由度空间运动数学模型，对 AUV 进行受力分析。应用工程应用中常用的增量式 PID 控制方法，通过仿真计算对比分析不同运动数学模型计算AUV 航向和深度控制时的运动规律，为 AUV 的水动力及操纵面设计提供参考。1空间运动数学模型 1.1 坐标系研究 AUV 的水下空间运动时，采用通用的 2 个右手坐标系，如图 1 所示。一个是固定坐标系 E-，固定于地球；另一个是随体坐标系 G-xyz，固定于 AUV。图1坐标系Fig.1Coordinatesystem 1.2 数学模型1.2.1空间运动模型在 建 立 六 自 由 度 空 间 运 动 数 学 模 型 时，认 为AUV 是一个刚体，AUV 在水下的空间运动可以看作一个刚体在流体中的空间机动。通过惯性坐标系与AUV 随体坐标系的转换，即可得到 AUV 的空间运动模型12。|m(u+qwrvxG(q2+r2)+yG(pq r)+zG(pr+q)=X，m(v+ru pwyG(r2+p2)+zG(qr p)+xG(pq+r)=Y，m(w+pvquzG(p2+q2)+xG(pr q)+yG(qr+p)=Z，Ix p+(IzIy)qr(r+pq)Ixz+(r2q2)Iyz+(pr q)Ixy+myG(wuq+vp)zG(vwp+ur)=K，Iy q+(IxIz)rp(p+qr)Ixy+(p2r2)Ixz+(pq r)Iyz+mzG(uvr+wq)xG(uvr+wq)=M，Iz r+(IyIx)pq(q+rp)Iyz+(q2 p2)Ixy+(rq p)Izx+mxG(vwp+ur)yG(wuq+vp)=N。(1)其中：X，Y，Z，K，M，N 为 AUV 所受的外力和外力矩，包括重力、浮力、推力器推力、水动力及力矩等，具体的受力情况和所研究的对象相关，需要具体分析。1.2.2受力分析本文以某 AUV（见图 2）为研究对象。图2某 AUV 外观图Fig.2AppearanceofanAUVAUV 的主要参数如表 1 所示。表 1 某 AUV 主要参数Tab.1MainparametersofanAUV参数主尺度/m重量/kg排水体积/m3数值3.60.530.535060.494（海水密度取1025kg/m3）该 AUV 通过尾部设置的推力器和十字舵实现水下空间运动的操纵与控制，通过对其受力分析，可得其所受外力和外力矩的数学模型如下：X=2L4Xqqq2+Xrrr2+Xrprp+2L3X u u+Xvrvr+Xwqwq+2L2Xvvv2+Xwww2+2L2Xrru2r2+Xssu2s2(W B)sin+XT，(2)Y=2L4Y r r+Y p p+Yp|p|p|p|+Ypqpq+2L3Y v v+Yrur+Ywpwp+Ypup+2L2Yu2+Yvuv+Yv|v|v|(v2+w2)1/2|+2L2Yru2r+(W B)cossin，(3)Z=2L4Z q q+Zppp2+Zrrr2+Zrprp+2L3Z w w+Zquq+Zvrvr+Zvpvp+2L2Zu2+Zwuw+Zvvv2+2L2Zsu2s+(W B)coscos，(4)K=2L5K p p+K r r+Kqrqr+Kpqpq+2L4K v v+Kpup+Krur+Kvqvq+Kwpwp+Kwrwr+2L3Ku2+Kvuv+Kvwvw+2L3Kru2r+(yGW yBB)coscos(zGW zBB)cossin，(5)58舰船科学技术第45卷M=2L5M q q+Mppp2+Mrrr2+Mrprp+2L4M w w+Mvrvr+Mvpvp+Mquq+2L3Mu2+Mwuw+Mvvv2+2L3Msu2s(xGW xBB)coscos(zGW zBB)sin，(6)N=2L5N r r+Npqpq+Nqrqr+2L4N v v+Nwrwr+Nwpwp+Nvqvq+Npup+Nrur+2L3Nu2+Nvuv+Nvwvw+2L3Nru2r+(xGW xBB)cossin+(yGW yBB)sin。(7)AUV 在固定坐标系中的位置参数可表示为：|=p+qtansin+rtancos，=qcosrsin，=(qsin+rcos)/cos，G=ucoscos+v(cossinsinsincos)+w(cossincos+sinsin)，G=usincos+v(sinsinsin+coscos)+w(sinsincoscossin)，G=usin+vcossin+wcoscos。(8)2自动控制模型自动控制采用工程应用中常用的增量式 PID 控制方法实现 AUV 的自动定向和自动定深。增量式 PID 通过对系统偏差进行比例、几分、微分操作并线性组合成控制量，以减小系统误差，提高系统响应速度和响应效果。增量式 PID 控制模型如下：u(k)=KPe(k)+KIe(k)+KDe(k)e(k1)。(9)其中：e(k)=e(k)e(k1)。(10)航向控制结构如图 3 所示。航向控制结构如图 4 所示。3空间运动仿真计算针对某型 AUV，分别通过式（1）式（8）建立空间运动数学模型以及平面运动数学模型，对 AUV 典型的空间运动进行仿真计算和对比分析。3.1 Z 形操舵运动仿真计算Z 形操舵运动采用 10/10操舵方法，采用空间运动数学模型和水平面运动数学模型分别进行仿真计算。其中，采用空间运动数学模型进行仿真计算时，对深度采用增量式 PID 控制方法进行控制。仿真计算过程中，AUV 的航行速度为 1.5m/s，初始深度 30m，采样间隔为 0.5s，结果如图 5 所示。图510/10Z 形操舵特征曲线图Fig.5CharacteristiccurvesofZ-shapedsteeringmotion可知，当采用空间运动数学模型进行仿真计算时，前 2 个周期中，AUV 的操舵规律和首向角变化规律与水平面运动数学模型的计算结果基本一致。从第3 个周期开始，AUV 的操舵规律和首向角变化规律发生变化，如图 6图 8 所示。图6初转期对比图Fig.6Comparisonofinitialturnaroundperiods由图 6 可知，在前 2 个周期中，2 种数学模型计算得到的初转期一致。从第 3 个周期开始，空间运动数学模型比平面运动数学模型计算得到的初转期小，其中第 3 个周期小 0.48s。同时，空间运动数学模型计算图3自动航向保持结构Fig.3Automatich