AUV方向和深度控制研究

裴仁俊

【摘要】AUV需要在各種水下不利環境下展現其性能，在各種復雜的海洋環境下具備高度的智能化，因此，對它的控制面臨許多困難和挑戰。此外，AUV的運動狀態非常不規則，航行時會受到水動力學等許多不確定的外部干擾。為了對AUV進行精確的水下跟蹤定位，必須設計一種新型的導航和深度控制系統。本文設計了兩種控制系統：第一種是線性的，使用標準PID技術，而第二種是非線性的，采用自適應方法文中研究了自適應控制系統在水下航行器不規則運動模型的應用，仿真結果表明，非線性模式的控制系統比常規的PID方法具有更好的控制性能。

【關鍵詞】自主水下航行器;方向;深度;控制

1.引言

隨著海洋技術的發展，自主水下航行器（AUV）的應用和研究變得更加迫切。在軍事和民用方面，AUV有大量應用前景，例如尋礦、水下測量，探測、觀測與處理等。AUV完全符合低成本、無人探測和監測海洋復雜水下環境和其他水下生態系統的需求。

本文重點介紹控制系統的設計。由于AUV航行的不規則性和環境模型建立的復雜性，在一個不確定的開放環境下控制一個AUV面臨很多挑戰性的控制問題。許多文章都提出了各種先進的水下控制方法，一些非線性的控制系統設計都需要精確的系統模型，一些則需要大量的不確定的參數。由于水動力的不確定性，獲得一個精確的AUV系統模型非常不易。

一種好的自適應控制系統不需要精確的系統模型，它可以由不確定的估算和輸入的航行路線來建立。本文提出了一種帶有六個自由度的水下機器人定位控制的方法，研究了自適應控制系統在水下航行器不規則運動模型的應用，仿真結果表明，非線性模式的控制系統比常規的PID方法具有更好的控制性能。

2.AUV模型

為了描述航行器的位置和姿態，慣性參考坐標系和自身參考系如圖1所示。

圖1 AUV自身參考系和慣性坐標參考系

描述AUV的模型非線性微分方程組如下所示：

即：

自身的速度向量如下：[U V W]慣性參考系下航行體自身調節速率矢量;[x y z]慣性參考系下航行體重心位置矢量;δr： 舵角度;δs：船尾角度;Xprop：推進器動力。

3.目標控制

對目標的控制是通過追蹤由導航系統產生的參考系實現的。本文中假定用于搜索和探索海洋的軌跡是已知的。為了識別和搜索大海中的某個區域，其主要的操作形式如圖2所示。本圖顯示了AUV要求按照指定的深度和設定的路徑移動;按照“S”型路線搜索并進行干擾補償，例如海底涌流帶來的干擾。方向和深度曲線如圖3所示。

圖2 AUV搜索模式

圖3 方向和深度曲線

4.控制器設計

必需設計一個滿足以下性能的控制器：（1）能估算不定參數;（2）能跟蹤輸入參數;（3）能抗干擾。

5.自適應控制器設計

假設系統模型為;

（7）

S在方程8中定義：

（8）

消掉s：

（9）

由方程（8）（9），得到方程（10）：

（10）

方程（11）表示控制信號：

（11）

Lyaponuv 公式如等式（12）：

（12）

結合方程（12），系數h，a1，a2可以由下列方程確定：

（13）

（14）

（15）

a2是評估海洋涌流強度的一個參數，比如攪動力。

自適應控制器的評估結果如圖4，5，6所示。在仿真中，假設海流為2節。方程的變量是未知的，可以通過方程13、14、15來確定。

圖4 干擾情況下使用自適應控制器的AUV運動

圖5 干擾情況下使用自適應控制器在x，y，z方向上的 AUV運動

圖6 干擾情況下使用自適應控制器在翻滾、傾斜、偏航方向上的AUV運動

6.結束語

本文闡述了一種關于AUV系統位置控制的自適應控制方法。由于非線性多元動力學變量的不確定性和干擾的不可估量性，AUV的位置控制成為一個重要的課題。AUV的動力方程是非線性、多元化和不確定的。對這套系統來講，海洋的涌流是重要的干擾，需要確認方程中的變量——水力學的系數，而一些變量不需要精確的數值，比如水力系數。計算這些變量相當復雜并需要很多時間和精力，這些變量隨著環境條件而變化。

參考文獻

[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.