X舵AUV双模糊控制器的设计与试验.pdf

DOI:10.74953486.2023.03.013JOURNALOFNAVALUNIVERSITY OFENGINEERINGJun.20232023年6 月大No.3Vol.35第3 5卷第3 期海报程军学学X舵AUV双模糊控制器的设计与试验彭利坤，孙楠，黄斌，吕帮俊（海军工程大学动力工程学院，武汉430 0 33）摘要：针对X舵AUV水下运动时，深度和航向耦合控制的问题，开展了AUV空间运动控制研究与自航模试验。首先，搭建了X舵AUV的运动模型，分析了首、尾舵升速率操纵响应规律；然后，结合X舵对姿态角的控制权重，设计了“主体模糊控制器十模糊积分控制器”的双模糊控制系统，该控制系统分为“深度-首舵”和“姿态角-尾舵”两部分；最后，通过对AUV变深定向和定深旋回的运动仿真，证明了该控制系统可以很好地将深度和航向稳定在期望值。同样条件下的自航模试验结果表明：X舵AUV变深定向的深度偏差保持在5%以内，航向偏差稳定在3以下；定深旋回的深度偏差在8.6%左右，旋回时航向变化稳定。关键词：X舵AUV；空间运动；模糊控制；自航模试验中图分类号：U674文献标志码：A文章编号：10 0 9348 6（2 0 2 3)0 30 0 90 0 7Design and test of dual-fuzzy controller for X-rudder AUVPENG Likun,SUN Nan,HUANG Bin,LYU Bangjun(College of Power Engineering,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract:For the problem of coupled depth and heading control of X-rudder AUV underwater mo-tion,the research and free running model test of AUV space motion control were carried out.Themotion model of X-rudder AUV was built,the response law of the bow and tail rudder lift rate ma-neuvers was analyzed,and the dual-fuzzy control system of main fuzzy controller+fuzzy integralcontroller was designed by combining the control weights of X-rudder on attitude angle.The controlsystem was divided into two parts,namely,depth-bow rudder and attitude angle-tail rudder,andit was proved that the control system could stabilize the depth and heading at the desired value by si-mulating the motion of AUV with variable depth orientation and fixed depth rotation.The results ofthe free running model test under the same conditions show that the depth deviation of the X-rudderAUV is within 5%and the heading deviation is below 3,under variable depth orientation,the depthdeviation is about 8.6%and the heading deviation is stable under fixed depth rotation.Key words:X-rudder AUV;spatial motion;fuzzy control;free running model testAUV具有活动范围广、隐蔽性好、智能化水平高等优点，故而被广泛地应用在海底勘探、水下搜救、数据采集甚至布雷扫雷等领域。目前，从AUV的发展趋势来看，其关键技术和主要设备包括：水下定位与导航装置、控制系统、水下自主对接与回收装置、水下通讯技术及其内部搭载的各类传感器等，其中控制系统的智能化是AUV关键核心技术之一 1-2 国内外学者在AUV的控制方面开展了广泛研究。周焕银等 3 对AUV水下的干扰项进行了收稿日期：2 0 2 2-0 5-19；修回日期：2 0 2 3-0 4-19。基金项目：国防科技重点实验室基金项目资助（6 142 2 17 18 0 2 0 1）。作者简介：彭利坤（197 5一），男，教授，博士，主要研究方向为潜艇操纵、机电液控制。通信作者：彭利坤，。91第3期彭利坤等：X舵AUV双模糊控制器的设计与试验补偿控制，提高了AUV水下控制的鲁棒性。王晓伟等 4分别设计了AUV水平面和垂直面的运动控制器，为AUV的操纵性分析和控制器性能的仿真奠定了基础。Monnet等 5 设计了一个具有参数不确定性的线性非时变性控制系统，基于全局优化的区间算法实现了对AUV的运动控制。Wang等 6 开发了一种容错控制系统，以最小化分配误差和控制效果为优化目标，采用定点送代法求解控制问题，为后续控制器的设计提供了有力参考。目前，关于AUV的运动控制大多数是采取解耦方式，分别设计彼此独立的单回路闭环控制器来实现AUV垂直面或水平面的控制。由于AUV水下运动时涉及多个自由度的运动，精确的水下数学模型不易获取，所以不依赖精确的数学模型的控制方法在AUV的控制应用上前景广阔 7 。鉴于模糊控制较适用于非线性、时变性的运动系统，且不需要对被控对象建立精确的数学模型。因此，本文根据X舵AUV的运动特性，基于模糊控制理论，设计了X舵AUV的运动控制系统，并在自航模试验中对控制器的有效性进行了研究。1X舵AUV的操舵响应建模采用的坐标系与国际拖曳水池会议（in-ternational towing tank conference,ITTC)推荐的坐标体系相一致，X舵AUV的尾操纵面布局、符号的规定及其位姿参数、（加）速度和力（矩）参数可参考文献 8 ,其对X舵AUV的舵力及舵力矩进行了较为详细的分析，并给出了其空间运动方程。为简化模型，此处将坐标原点与X舵AUV的重心相重合，则文献 8 中运动学方程可简化为(m-X;)i=-(W-B)sin+Xul u lul+(Xug-m)wq+Xqq?+(Xu+m)ur+Xrr?+XT+XR;(m-Y;)-Y;i=(W-B)cos Osin+Yuu lol+YrHr bl+(Yur-m)ur+(Ywp+m)wp+Yppq+Yuuu+YR;(m-Za)i-Z;q=(W-B)cos Ocos p+Zwklwkwl+Zaq kl+(Zug+m)uq+(Zup-m)up+Zrprp+Zuwuw+ZR;(1)(I-K)=Bcossin+Kl l-(I-I)qr+K+K;(I y-M;)-Maw=Bzbsin+Mwkel w kal+Mabilq kl+Muquq+Mupup+Mrp-（I-I)r p+M u w u w+M R;(I-N,)i-N;i=Nukll+Nrhr l+Nuuu+Nurur+Nwpwp+Npg-(Iyy-I)pq+NR。式中：u，i,w，p q，r 分别为X舵AUV沿坐标轴，y，方向的加速度和角加速度；XR，Y R，Z R分别为X舵产生的舵力;KR，M R，N R分别为X轴的舵力矩；W,B分别为X舵AUV所受到的重力和浮力；zb为浮心位置；X，K T 分别为螺旋奖推力及推力矩；形似X，X*等为XAUV的水动力系数，根据势流理论、简单几何形体理论计算公式和半经验图谱法进行估算9基于X舵AUV的空间运动方程及其相关水动力系数的估算，在Simulink中搭建了X舵AUV的运动模型。AUV深度和姿态角曲线分别如图1、图2 所示。通过仿真单操AUV首或某一X舵尾舵时艇体姿态的变化情况，得出其操舵响应规律（见图3）。对比图2、图3的仿真结果可得：10 0 s的仿真时间内，当X舵AUV的首舵和1#尾舵分别操1下潜舵时，升速率分别为0.0 138 m/s和0.0 10 8 m/s(2.5kn）；产生的最大横倾角g分别为一0.0 9和一0.1，最大纵倾角分别为一0.17 和一0.56，最大航向角分别为一0.6 9和1.56。由此可得：分别操1下潜舵时，首、尾产生的深度变化率和横倾值大体一致，但纵倾角二者却有着近3.3倍的差距。经仿真计算，若4个尾舵同操1下潜舵则产生的纵倾角为一2.37，是单操1首舵时近14倍。故控制器的设计可采用首舵控制深度、尾舵控制姿态角的控制策略 10 ，从而忽略操舵所带来的间接响应。92大第3 5卷海程报军学学1.51.00.5020406080100t/s图1AUV深度曲线Fig.1Depthcurve of AUV0.20(。)/0 d-0.2-0.4-0.6-0.8020406080100t/s图2AUV姿态角曲线Fig.2Attitude angle curves of AUV1.270.80.4020406080100t/s图3航速2.5kn、8 1=-1的仿真曲线Fig.3Simulation curve of speed 2.5 knots and 3,=-12X舵AUV控制系统的设计根据X舵AUV的操纵特点，X舵AUV控制系统至少包含两个主要因素：一是X舵AUV的操纵响应规律；二是X舵AUV的控制权限分配。按式（2)设计X舵模糊控制系统结构，即0,=06H(H,H.);=Q8;(,+Q,;g(p)+(2)Q,8iu(A,Ab)。式中:8 bH、8 i 0 8 i 9 8 i (i=1,2,4)为各舵对于深度和姿态的模糊控制器；H为深度误差；H。为深度误差变化率；0 为纵倾误差，0。为纵倾误差变化率；g为横倾误差，p。为横倾误差变化率；为航向误差，。为航向误差变化率；Q。，Q。，Q 分别为X尾舵对纵倾、横倾、航向角的控制权限。2.1模糊控制器的设计采用模糊控制方法设计X舵控制器时，可根据潜艇的操纵规律和专家经验获得首舵和X舵的控制规则，按照操舵机构的极限位置和潜艇运动状态量的大致范围初步确定模糊控制的论域和值域。本文采用单值模糊器、三角隶属度函数、乘积推理机和中心平均解模糊器构建全局指数稳定的X舵自动控制器。2.1.1论域和隶属度函数论域的选择对控制效果的影响十分重要，论域过大过小都会导致控制器响应迟缓或出现较大的超调和波动。根据多次自航模试验的控制效果来看，确定式（2）中8 个输人变量、5个输出量的论域(见表1)。表1模糊控制主体输入和输出变量及其论域Tab.1Fuzzy control subject input and outputvariables and theirdomains变量名称论域误差H0.3,0.3 深度/m误差变化率He-0.06.0.6输误差中-20,20 航向角/（）误差变化率公。-0.6,0.6 入误差0-0.3,0.3 纵倾角/（）误差变化率。0.06,0.06量误差0.3,0.3横倾角/（误差变化率90.06,0.06首舵/(）舵角8 6-25,25 量尾舵/（）角8 1-30,30将模糊控制器的8 个输变量和5个输出变量的模糊语言分为7 个模糊集，选择三角隶属度函数。2.1.2模糊控制规则与解模糊由操舵响应规律可知，当首舵操正舵时，AUV上浮即深度减小；操负舵时，AUV下潜即深度增加。故而首舵控制深度的模糊规则UH为Us,HPBPBPMPMPS PSZE