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.3Automaticheadingangle-holdingstructure图4自动深度保持结构Fig.4Automaticdepth-holdingstructure第45卷胡中惠，等：AUV 水下空间运动自动控制仿真59的艏向角比平面运动数学模型提前 1.1s 达到 10；第4 个周期中初转期小 0.42s，提前 2s 达到 10。到第5 个周期时，2 种数学模型计算得到的初转期恢复一致，保持在 4s 左右，但空间运动数学模型计算的首向角始终比平面运动数学模型提前 1.1s 达到 10。由图 7 可知，在前 3 个周期中，2 种数学模型计算得到的超越时间一致。第 4 个周期中，空间运动数学模型比平面运动数学模型计算得到的超越时间小 0.36s。同时，空间运动数学模型计算的超越角比平面运动数学模型提前 1.5s 达到峰值。到第 5 个周期时，2 种数学模型计算得到的超越时间恢复一致，保持在 3s左右，但空间运动数学模型计算的首向角始终比平面运动数学模型提前 2s 达到峰值。由图 8 可知，在前 2 个周期中，2 种数学模型计算得到的周期时间一致。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周期时间小，其中第 3 个周期小 1.16s。同时，空间运动数学模型计算的艏向角比平面运动数学模型提前 0.72s 进入下一个周期；第 4 个周期中周期时间小 1.33s，提前 2s进入下一个周期。到第 5 个周期时，2 种数学模型计算得到的周期时间恢复一致，保持在 32s 左右，但空间运动数学模型始终比平面运动数学模型提前 2s 进入下一个周期。上述操舵规律和首向角变化规律的不同将导致运动轨迹的不同，运动轨迹对比如图 9 所示。可知，采用 2 种数学模型仿真得到的 AUV 运动轨迹并不重合，存在一定的差别。因为 AUV 整体外形的不对称，导致 AUV 在水平面内运动时伴随着垂直面内的运动，为保证 AUV 水平面运动的稳定性，需要对垂直面内的运动进行控制。在使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，PID 参数值为 KP=0.7，KI=1.1104，KD=0.01。深度控制结果如图 10 所示，水平舵操舵如图 11所示。图10深度变化图Fig.10Depthwithtime图11水平舵舵角变化图Fig.11Horizontalrudderanglewithtime由图 10 可知，如果 AUV 在进行 Z 形操舵运动时不对深度进行控制，则 AUV 将由于整体外形不对称产生的力及力矩而同时向更深的方向运动，该运动将反向影响 AUV 水平面内的运动。因此，AUV 在进行水平面内的运动时，同时需要对垂直面内的运动进行控图7超越时间对比图Fig.7Comparisonofbeyondtimes图8周期时间对比图Fig.8Comparisonofcycletimes图9运动轨迹对比图Fig.9Comparisonofmovementtrajectories60舰船科学技术第45卷制，转动水平舵抵消整体外形不对称产生的力及力矩引起的深度变化。由图 11 可知，水平舵舵角最终稳定在 0.26左右，AUV 深度保持在 30.15m 左右，AUV 实现水平面内运动的稳定。3.2 航向与深度保持仿真计算AUV 在实际航行过程中，航向与深度往往需要同时保持，这也是 AUV 空间机动能力的体现。本文分别采用空间运动数学模型和平面运动数学模型进行航向与深度保持仿真计算，计算类型划分如表 2 所示。表 2 计算类型Tab.2Typeofcalculation模型名称计算类型水平面运动数学模型航行保持垂直面运动数学模型深度保持空间运动数学模型航行+深度保持仿真计算过程中，AUV 的航行速度为 1.5m/s，初始航向 0，初始深度 0m，采样间隔为 0.5s，3 种模型采用相同的控制律。其中，航向控制的 PID 参数为KP=0.15，KI=1.0104，KD=0.01，深度控制的 PID 参数为 KP=0.7，KI=1.110 4，KD=0.01。计算结果如图 12图 15 所示。图12航向角控制对比图Fig.12Comparisonofheadinganglecontrol图13垂直舵舵角变化对比图Fig.13Comparisonofverticalrudderangle通过图 12 和图 13 可以看出，对于航向的机动与保持，在相同控制律的情况下，采用空间运动数学模型比水平面运动数学模型的上升时间长 9s，采用空间运动数学模型计算的航向角最终稳定在 61.6，采用水平面运动数学模型计算的航向角最终稳定在 61.3，基本一致。也就是说，当 AUV 在水下进行空间机动时，深度机动会导致航向机动响应变缓，但对最终的控制效果无影响。通过图 13 和图 14 可以看出，对于深度的机动与保持，在相同控制律的情况下，采用空间运动数学模型比垂直面运动数学模型的上升时间长 9s，超越深度小 0.35m，采用空间运动数学模型计算的深度最终稳定在 29.9m，采用垂直面运动数学模型计算的深度最终稳定在 29.8m，基本一致。也就是说，当 AUV 在进行水下空间机动时，航向机动会导致深度机动响应变缓，超越深度变小，但对最终的控制效果无影响。4结语本文以某 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。本文研究结果可为 AUV 水下空间运动的自动控制研究提供参考，具有一定的工程价值。图14深度控制对比图Fig.14Comparisonofdepthcontrol图15水平舵舵角变化对比图Fig.15Comparisonofhorizontalrudderangle第45卷胡中惠，等：AUV 水下空间运动自动控制仿真61参考文献：吴有生,赵羿羽,郎舒妍,等.智能无人潜水器技术发展研究J.中国工程科学,2020,22(6):2631.1罗建超,朱心科.基于改进粒子群优化算法的自主水下航行器深度控制 J.舰船科学技术,2022,44(8):6468.LUOJianchao,ZHUXinke.Depthcontrolofautonomousun-derwatervehiclebasedonimprovedparticleswarmoptimiza-tionalgorithmJ.ShipScienceandTechnology,2022,44(8):6468.2雷江航,姜向远,栾义忠,等.基于 L1 自适应理论的 AUV 深度控制器设计 J.中国舰船研究,2021,16(5):150157.LEIJianghang,JIANGXiangyuan,LUANYizhong,etal.De-signofAUVdepthcontrollerbasedonL1adaptivetheoryJ.ChineseJournalofShipResearch,2021,16(5):150157.3饶志荣,董绍江,王军,等.基于干扰观测器的 AUV 深度自适应终端滑模控制 J.北京化工大学学报(自然科学版),2021,48(1):103110.4李泽宇,刘卫东,申高展,等.水下航行器空间机动滑模变结构控制仿真 C/2015 年中国西部声学学术交流会论文集,2015:4.5梅新华,周祥龙.基于 BP 神经网络的双舵型 AUV 深度控制算法应用 J.水雷战与舰船防护,2017,25(3):7982.6胡坤,何斌,张建华,等.波浪环境下潜艇近水面操纵特性仿真分析 J.舰船科学技术,2017,44(2):611.HUKun,HEBin,ZHANGJian-hua,etal.Simulationanalysisofsubmarinemaneuveringcharacteristicsnearwatersurfaceinwave 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