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 PSZE7PBPMPMPSPSZENSPM PMPSPSZENSNSPMPSPSZENS NSNM。(3)PSPSZENSNSNM NMPSZENSNSNMNMNBZENSNSNMNMNBNB采用中心平均解模糊得到首舵角模糊控制器输出为722(Ua-H),K;i=l j=18=(4)77i=1 j=193第3 期彭利坤等：X舵AUV双模糊控制器的设计与试验式中：K；为H；和Hc;隶属度的代数积，即K;=(H,)(H c,)。X的控制规则Us;,Us;Us;均可由UH表示，其中2#、3#尾舵控制横倾角和1#、3#控制航向角的模糊规则与首舵的规则一致，其余尾舵控制姿态角的规则均与首舵规则相反，即将矩阵UH中表示正负的N和P互换。2.2模糊积分控制器常规的模糊控制在AUV受力不均衡的情况下无法满足控制精度的要求，为解决控制精度的问题，需在主体模糊控制器的基础上增添积分环节。同时，为减小出现积分饱和的现象，规定只有误差和误差变化率符号一致时，才进行积分。控制系统的输出为主体模糊控制器和模糊积分控制器的叠加，最终X舵AUV控制系统结构为,=ObH(H,H.)+0 b H d H;28;(0,0)+0i0d0+5(5)5idd。式中：Jb-HdH,Jai-odo,Joi-gdp,J8i-dp为各舵相对被控量的积分项。2.3控制权限分配X舵AUV的操纵响应规律已由仿真分析得出。由图3可见，10 0 s内单操1#尾舵的1下潜舵，X舵AUV的航向角变化最为明显，偏转角度达1.56 左右，纵倾角和横倾角大体一致，分别为一0.56 和一0.1。可见，尾舵对横倾的控制较弱，对航向的控制较强。故在控制权限的分配上可加大对横倾的控制比例，结合相关参考文献和仿真试验的控制效果 11-13,将权限分配初始值设定为航向角1/5、纵倾角2/5、横倾角2/5。在控制过程中，在初始权限分配的基础上按照“误差大、权限高”的思路，进行权限动态调节。3X舵AUV运动仿真3.1X舵AUV控制系统的搭建X舵AUV控制系统由“深度-首舵”和“姿态角-尾舵”两部分控制器组成，其控制流程如图4所示。依据控制流程图在Simulink上完成对X舵AUV控制系统模型的搭建。“深度一首舵”控制器AH主体模糊控制器8模糊积分控制器姿态角-尾舵”控制器XHo,0o,Po,toAu舵主体模糊控制器6(i-1,2 3.4215tAU模糊积分控制器V运动模型Au主体模糊控制器6i(-1,2,3.42/5t模糊积分控制器主体模糊控制器6i(i-1,2,3.45模糊积分控制器H,0,p,b图4X舵AUV控制系统的流程图Fig.4Flow chart of X-rudder AUV control system3.2X舵AUV运动仿真为了验证控制系统对AUV深度及航向的控制效果，现对X舵AUV变深定向和定深旋回两个运动工况进行仿真。设定航速2.5kn，深度变化2 m，旋回定深1.5m，仿真结果如图5所示。94大第3 5卷海报程军学学2.0(。)/:u/1.51.00.50020406080100t/s(a)变深定向(a)Variable depth orientation40023002001.51001020406080100t/s(b）定深旋回(b)Certain depth gyration图5变深定向及定深旋回下深度和航向仿真结果Fig.5Simulation results of depth and heading under variabledepth orientation and certain depth gyration由图5可见：AUV在稳定控制阶段时的深度偏差分别为0.0 13m和0.0 4m，偏差比例为0.65%和2.6%；变深定向的航向偏差为0.0 7 6，定深旋回时的航向变化稳定。从控制效果看，本文设计的控制器可较好地对AUV的深度和航向进行控制。4X舵AUV自航模试验为进一步验证控制器的可信度，将控制系统应用在X舵AUV中进行自航模试验。船模外观及水池试验平台如图6 所示，自航模试验的设计方案及思路参考文献 14一15。(a)船模(a)Ship model(b)试验平台(b)Test platform图6 船模及试验平台图Fig.6Ship model and test platform diagramX舵AUV试验模型是根据某型水下潜航器进行缩比设计的，模型长约3m、重约2 31kg。水池尺寸为6 0 mX60mX5m。4.1变深定向试验为验证模糊控制系统的效果，完成了多次变深定向试验，水下深度分别设定为1、2、3m，转速设定分别为16 0 0（低）、16 8 0（中）、18 0 0 r/min（高）。中速从水面下潜至2 m的试验控制效果如图7、8 所示。220T期望值210实际值200190750770790810t/s(a)2.0F1.5F期望值三E1.00.5实际值0750770790810t/s(b)H图7下潜试验航向深度变化曲线Fig.7Heading and depth variation curves ofdiving experiment201010500-5-10-10-20-15020 40 60 80020406080t/st/s(a)81(b)8220m1010500-5-10-10-20-15020406080020406080t/st/s(c)83(d)84图8 下潜试验尾舵角变化曲线Fig.8Tail rudder angle changing curves ofdiving experiment由图7、8 可见：X舵AUV大致在0 30 s时95第3期彭利坤等：X舵AUV双模糊控制器的设计与试验段从水面潜至2 m，下潜过程中，4个尾舵的舵力均向上以便加速下潜过程，舵1、舵3的值要大于舵2、舵4，这是由于设定的期望航向值大于初始航向值，故控制器通过舵1、3控制船体向右航行；30 8 0 s时段为定深直航阶段，40 s左右船模航向、深度控制比较稳定，这与图5（a）仿真结果的稳定时间基本一致；40 s后舵角值的变化也趋于稳定，稳定过程中最大深度差为0.1m，偏差比例为5%，航向偏差在3以内。4.2定深旋回试验本实验是为验证当X舵AUV在水下做旋回机动时，在航向角变化很快的情况下，控制系统能否控制住X舵AUV的深度。中速、定深1.5m的旋回试验控制效果如图9所示。4007300200100020406080100120t/s(a)2.0期望值1.51.0实际值0.5020406080100120t/s(b)图9定深旋回控制时航向深度变化曲线Fig.9Heading and depth variation curves undercertaindepthgyration由图9可见：0 40 s时段为AUV的下潜阶段，此时4个尾舵的舵角值为负，此时段为加快下潜过程，下潜时航向基本保持不变；40 55s时段AUV保持定深直航；55 12 0 s时段AUV做定深旋回机动，完成一次旋回的时间近似为45s，与图5（b）仿真旋回一周的时间大致相同，其中7512 0 s 为稳定控制阶段，此阶段最大深度误差为0.13m，偏差比例为8.6%。由于AUV旋回时会出现船体和尾部变重的现象，受此影响尾舵舵角值变化较频繁。上述自航模的控制效果进一步验证了本文所设计的控制系统的可信度。5结束语本文以X舵AUV为对象，对其水下航行时的航向和深度控制问题进行了研究。针对AUV水下运动的特点，设计了“深度-首舵”和“姿态角-尾舵”的模糊控制系统，并进行了较为深人的变深定向和定深旋回的运动仿真和水池试验。自航模试验表明：设计的控制系统对AUV变深定向的控制效果较好，对定深旋回的控制效果稍差。分析其原因主要是：水池环境虽然较为封闭，但室外环境依然存在风、浪、流的小幅影响；AUV船模的设计具有一定的正浮力，且受推进器转速限额的影响，高航速下舵效依然较低。参考文献(References)：1李硕，刘健，徐会希，等.我国深海自主水下机器人的研究现状J.中国科学：信息科学，2 0 18，48(9):1152-1164.LI Shuo,LIU Jian,XU Huixi,et al.Researchstatus of autonomous underwater vehicles in ChinaJ.Scientia Sinica Informationis,2018,48(9):1152-1164.(in 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