AUV方向和深度控制研究

裴仁俊

【摘要】AUV需要在各种水下不利环境下展现其性能，在各种复杂的海洋环境下具备高度的智能化，因此，对它的控制面临许多困难和挑战。此外，AUV的运动状态非常不规则，航行时会受到水动力学等许多不确定的外部干扰。为了对AUV进行精确的水下跟踪定位，必须设计一种新型的导航和深度控制系统。本文设计了两种控制系统：第一种是线性的，使用标准PID技术，而第二种是非线性的，采用自适应方法文中研究了自适应控制系统在水下航行器不规则运动模型的应用，仿真结果表明，非线性模式的控制系统比常规的PID方法具有更好的控制性能。

【关键词】自主水下航行器;方向;深度;控制

1.引言

随着海洋技术的发展，自主水下航行器（AUV）的应用和研究变得更加迫切。在军事和民用方面，AUV有大量应用前景，例如寻矿、水下测量，探测、观测与处理等。AUV完全符合低成本、无人探测和监测海洋复杂水下环境和其他水下生态系统的需求。

本文重点介绍控制系统的设计。由于AUV航行的不规则性和环境模型建立的复杂性，在一个不确定的开放环境下控制一个AUV面临很多挑战性的控制问题。许多文章都提出了各种先进的水下控制方法，一些非线性的控制系统设计都需要精确的系统模型，一些则需要大量的不确定的参数。由于水动力的不确定性，获得一个精确的AUV系统模型非常不易。

一种好的自适应控制系统不需要精确的系统模型，它可以由不确定的估算和输入的航行路线来建立。本文提出了一种带有六个自由度的水下机器人定位控制的方法，研究了自适应控制系统在水下航行器不规则运动模型的应用，仿真结果表明，非线性模式的控制系统比常规的PID方法具有更好的控制性能。

2.AUV模型

为了描述航行器的位置和姿态，惯性参考坐标系和自身参考系如图1所示。

图1 AUV自身参考系和惯性坐标参考系

描述AUV的模型非线性微分方程组如下所示：

即：

自身的速度向量如下：[U V W]惯性参考系下航行体自身调节速率矢量;[x y z]惯性参考系下航行体重心位置矢量;δr： 舵角度;δs：船尾角度;Xprop：推进器动力。

3.目标控制

对目标的控制是通过追踪由导航系统产生的参考系实现的。本文中假定用于搜索和探索海洋的轨迹是已知的。为了识别和搜索大海中的某个区域，其主要的操作形式如图2所示。本图显示了AUV要求按照指定的深度和设定的路径移动;按照“S”型路线搜索并进行干扰补偿，例如海底涌流带来的干扰。方向和深度曲线如图3所示。

图2 AUV搜索模式

图3 方向和深度曲线

4.控制器设计

必需设计一个满足以下性能的控制器：（1）能估算不定参数;（2）能跟踪输入参数;（3）能抗干扰。

5.自适应控制器设计

假设系统模型为;

（7）

S在方程8中定义：

（8）

消掉s：

（9）

由方程（8）（9），得到方程（10）：

（10）

方程（11）表示控制信号：

（11）

Lyaponuv 公式如等式（12）：

（12）

结合方程（12），系数h，a1，a2可以由下列方程确定：

（13）

（14）

（15）

a2是评估海洋涌流强度的一个参数，比如搅动力。

自适应控制器的评估结果如图4，5，6所示。在仿真中，假设海流为2节。方程的变量是未知的，可以通过方程13、14、15来确定。

图4 干扰情况下使用自适应控制器的AUV运动

图5 干扰情况下使用自适应控制器在x，y，z方向上的 AUV运动

图6 干扰情况下使用自适应控制器在翻滚、倾斜、偏航方向上的AUV运动

6.结束语

本文阐述了一种关于AUV系统位置控制的自适应控制方法。由于非线性多元动力学变量的不确定性和干扰的不可估量性，AUV的位置控制成为一个重要的课题。AUV的动力方程是非线性、多元化和不确定的。对这套系统来讲，海洋的涌流是重要的干擾，需要确认方程中的变量——水力学的系数，而一些变量不需要精确的数值，比如水力系数。计算这些变量相当复杂并需要很多时间和精力，这些变量随着环境条件而变化。

参考文献

[1]Slotne J.J.，LI W.，“Applied Nonlinear Control”，Prentice-Hall，1991.

[2]Loeipour M.，（2001），“Dynamic of underwater vehicles”，sub sea R&D research centre，Isfahan University of Technology，Isfahan，Iran Underwater Technology，spring 1993.