AUV水下对接控制方法

羊云石，顾海东，程 烨

(中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

AUV水下对接控制方法

羊云石，顾海东，程 烨

(中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

针对AUV水下对接系统的需求，研究了AUV对接航行中的控制方法。将导引和控制过程分为追踪回归和直线对接2个阶段。通过仿真计算研究，验证了控制策略和算法的可行性。

AUV；水下对接；对接导引；横向跟踪

0 引 言

随着信息技术的不断发展，自主水下航行器(AUV)作为探索海洋空间的有力工具之一，在军事和科学研究方面起着越来越重要的作用。未来的AUV需要更长的水下工作时间、更大的自主性、更隐蔽的情报收集能力、更高速的数据分析速度以及更强大的通信能力。而这些目标的实现主要受到AUV自身携带能源和水下通信2个因素的限制。因此，AUV水下对接技术作为一种为其提供能源补充与信息交换的补给支持系统就显得十分必要。

美国Woods Hole海洋研究所和MIT海洋实验室共同研制的Odyeesy ΠB AUV水下对接系统使用超短基线的引导AUV驶向对接装置，然后依靠前进冲量实现头部V型捕捉装置与垂直杆的对接[1]。Woods Hole海洋研究所研制的REMUS水下对接系统由圆柱型坞站和锥形引导口组成，也采用超短基线引导AUV回归[2]。MBARI研究所为Bluefin AUV开发的水下对接系统基本与REMUS对接装置相似，将AUV对接航行控制分为视线追踪(pure pursuit)和横向跟踪(cross-track)2个阶段，并于2005年和2006年进行了海上对接试验[3]。

本文基于AUV水下对接系统的前期设计，通过建立AUV水动力模型，采用追踪回归和直线对接2个阶段的控制方式进行AUV对接航行仿真，验证了控制方法的有效性。并在此基础上考虑了工程实现中的诸多因素(如传感器精度、海流、接驳站布放方向等)。

1 AUV水下对接系统设计

AUV水下对接系统的组成如图1所示，由AUV、海底接驳站和超短基线组成。当AUV电池即将耗尽或需要上传数据时，将自动回归至海底接驳站附近(AUV已知海底接驳站的大致坐标和朝向)。随后，AUV通过超短基线与海底接驳站进行应答定位，并不断修正航向靠近海底接驳站的对接口，最终依靠自身动力进入接驳管内。

图1 AUV水下对接系统组成Fig.1 System of the dock

本文参考文献[3]中Bluefin AUV 的对接策略，将AUV水下对接过程分为追踪回归和直线对接2个阶段，如图2所示。

1)追踪回归阶段。AUV进入超短基线的作用范围后，基于水声定位信息并采用视线追踪的控制方式调整AUV航向，使其向对接就位点不断接近。对接就位点位于海底接驳站对接口的中心延长线上。

2)直线对接阶段。AUV到达对接就位点后将沿着对接口中心线驶向海底接驳站，在超短基线、航向信息的综合处理下，采用横向跟踪的控制方式沿海底接驳站对接口的中心延长线航行，最终进入对接口。

2 AUV运动模型分析

图2 AUV水下对接过程设计Fig.2 Homing and docking sequence

图3 AUV外形Fig.3 Solid model of the docking AUV

通过简化水下潜器的标准六自由度方程[4]，同时附加海流的影响，可得到AUV水平面的运动方程：

(u+Vc·sinφ)2+Tp=，

(1)

δR+(Yv+Ys)·u·Vc·cosφ=0，

(2)

Vc·cosφ=0，

(3)

(4)

式中：δR为舵角；Vc为海流速度；YR为舵角系数；Ys为声呐和GPS天线等附体的水动力系数；xs为声呐和GPS天线等附体与AUV中心的距离；φ为AUV中轴线和海流之间的夹角；Tp为螺旋桨的恒定推进力。

3 追踪回归阶段控制

AUV进入超短基线的作用范围后，基于水声定位信息并采用视线追踪的控制方式调整AUV航向，使其向对接就位点P0不断接近。对接就位点P0位于海底接驳站对接口的中心延长线上，如图4所示。

图4中，ΦU为超短基线水声定位测得的方位数据，AUV可根据ΦU通过几何运算得到AUV相对于P0点的方位值ΦP0。Φc为AUV罗盘测得的方位数据。AUV通过比较ΦP0和Φc两者的差值得到舵角控制量，保证AUV在前进过程中始终朝向P0点。P0点为控制程序中设定的对接就位点。到达对接就位点后AUV将转入下一阶段。

图4 追踪回归阶段坐标和变量Fig.4 Angle and reference frame definitions of pure-pursuit homing control

图5 追踪回归阶段闭环控制图Fig.5 Pure-pursuit homing control loop

图5为追踪回归阶段的闭环控制图，控制器采用多层PI控制，并通过内层的罗经反馈使得AUV的航向不过于剧烈变化。其中虚线部分表示的是AUV运动产生的结果，采用水下运动模型计算模拟。

4 直线对接阶段控制

由于海底接驳站固定方向，故AUV需要在距离接驳站几百米处的对接就位点附近转入直线航行阶段。在此阶段的控制中加入了横向跟踪误差的控制层，以实现AUV沿着固定的直线路径进入海底接驳站的喇叭口。如图6所示。

图6 直线对接阶段坐标和变量Fig.6 Angle and reference frame definitions of cross-track homing control

图7 直线对接阶段闭环控制图Fig.7 Cross-track docking control loop

图6中，Φc为AUV罗盘测得的方位数据，ΦD为海底接驳站的对接口朝向方位(在接驳站布放时测得)，ΦU为超短基线水声定位测得的方位数据。AUV可根据上述3个方位和测距值计算得到AUV与喇叭口中心线的横向跟踪误差y。

随着AUV与接驳站之间的距离接近，通过USBL计算得到的横向跟踪误差y也会随之减小。为了给AUV提供充足的调整时间，并且减小最终碰撞时的冲击，将航速设定为一个较低的稳定值(在本文的计算中AUV推进力恒定在28N，获得的前进速度小于1.5m/s)。图7为直线对接阶段的闭环控制图。

5 仿真计算

采用数值计算的方法验证AUV水下对接模型和两阶段控制方法。假设USBL的作用距离为1 000m，AUV的起始点为(0，0)，海底接驳站的坐标点为(707，707)，就位点坐标为(707，507)。AUV的推进力保持在28N，USBL的信号处理时间为2s，海流的方向和大小固定不变(沿-x方向，0.5kn)。AUV模型参数采用文献[5]中附录1的数据，并假设舵角最大幅值25°，初始速度1.5m/s，初始角度0°，到达半径20m。

在仿真计算中引入传感器的误差，并假设各个传感器的误差都服从均值为0的均匀分布，分布区间见表1。

表1 各个传感器的误差分布区间Tab.1 Error distribution interval of every sensor

图8 AUV水下对接航行轨迹(接驳站朝向为0°)Fig.8 Vehicle track of AUV (with the dock heading to 0°)

图9 直线对接阶段放大图Fig.9 Enlarged view of cross-track

从图8的计算结果可看出，AUV先是处于追踪回归阶段，驶向坐标为(707，507)的就位点。到达就位点附近后，AUV转入直线对接阶段。图9为直线对接阶段的局部放大图。从图10和图11可见，由于存在侧向海流(0.5kn)的影响，AUV沿着对接口中心线前进时将形成一个特定的漂角。从图9可见AUV最终的对接精度小于1m，满足与海底接驳站的对接要求(对接口直径2m)。

图10 追踪回归阶段的航向角命令值和实际值Fig.10 Heading and le during pure-puvsuit

图10 追踪回归阶段的航向角命令值和实际值Fig.10 Lateral position tracking during cross-track

图12计算了海底接驳站分别以90°和180°方向布置时AUV水下对接的航行轨迹。从图中可见，在0.5kn海流的情况下，AUV可与不同方向的海底接驳站进行对接。验证了本文两阶段导引控制方法的可行性。

图12 AUV水下对接航行轨迹Fig.12 Vehicle track of AUV

6 结 语

本文基于AUV水下对接系统的设计，对AUV运动模型和对接控制方法进行了研究。通过仿真计算，验证了AUV对接航行控制算法的有效性，为将来AUV与海底接驳站的对接试验研究提供了一定的基础。

[1]HANUMANTS,JAMESG,BELLINGHAMFH,etal.Dockingforanautonomousoceansamplingnetwork[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2001,26(4):498-514.

[2]BENA,TOMA,NEDF,etal.Autonomousdockingdemon-strationswithenhancedREMUStechnology[J].OCEANS,2006:1- 6.

[3]ROBERTS.MCE,BrettW.Hobson,LanceMcBride,etal.Dockingcontrolsystemfora54-cm-Diameter(21-in)AUV[J].IEEEJournalofOceanEngineering,2008,33(4):550-562.

[4] 施生达.潜艇操纵性[M].北京：国防工业出版社,1995.

[5] 严卫生.鱼雷航行力学[M].西安：西北工业大学出版社,2005.

Docking control method of autonomous underwater vehicles

YANG Yun-shi,GU Hai-dong,CHENG Ye

(The 715 Research Institute of CSIC,Hangzhou 310023,China)

To fulfill the requirements on the underwater docking system for autonomous underwater vehicles, the homing and docking control method of AUV are studied.The guidance and control strategy are divided into two stages, namely the pursuit homing stage and the center line docking stage.The numerical simulation results show the control method is suitable.

AUV; underwater docking; docking guidance; cross-track

2015-09-15；

2015-10-12

国家863计划资助项目(2013AA09A415)

羊云石(1985-)，男，工程师，从事海洋工程水动力和水下航行器研究。

U674.941

A

1672-7649(2015)12-0144-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.030