實驗尺度無人水下滑翔機設計與試驗

楊海，劉雁集，張凱

1中國艦船研究設計中心，上海2011082上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

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實驗尺度無人水下滑翔機設計與試驗

楊海1，劉雁集2，張凱2

1中國艦船研究設計中心，上海201108
2上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

摘要：無人水下滑翔機是一種高效的水下機器人。實尺度滑翔機在一般水池內很難形成穩態的滑翔運動，不便于研究分析其動力學問題，因此設計一種實驗尺度的水下滑翔機，詳述滑翔機的設計、建模、控制與試驗研究。首先，簡述實驗尺度滑翔機結構，利用CFD軟件計算殼體的水動力參數。然后，根據機體的內部質量分布，建立滑翔機的動力學模型。最后，設計垂直剖面運動的線性二次型調節器（LQR）控制器與線性Kalman觀測器，并在觀察環節加入一定量的白噪聲干擾。仿真結果表明，設計的控制器與觀測器可在一定量干擾存在的情況下保證機體的正常運行。水池試驗的結果表明，設計的滑翔機可在3 m水深范圍完成穩態滑翔運動，并具有良好的穩定性及操縱性。

關鍵詞：水下滑翔機；水動力參數；Kalman觀測器；水池試驗

0　引　言

無人水下滑翔機是浮力驅動、帶有固定機翼的無人水下航行器。由于其高效的運動方式，在海洋環境的采樣及監測領域具有廣泛的應用前景，近年來，受到越來越多的重視。目前，國內外已經有多種成熟的實尺度滑翔機［1-4］，而且諸多新型樣機正不斷問世。

實尺度常規滑翔機主體長2 m左右，其鋸齒形的運動形式決定了滑翔機的大深度運行特性，而在常規水池深度范圍內（3～10 m），很難形成充分的穩態滑翔運動。為便于分析滑翔機的動力學特性，普林斯頓大學的Leonard等［5］設計了實驗尺度滑翔機ROGUE，其橢球形的外殼簡化了水動力參數，位于浮心的浮力系統不對動力學產生影響，LQR控制仿真不僅驗證了模型的優良特性，而且初步探討了現代控制理論在滑翔機上的應用效果。密歇根州立大學的Zhang等［6］設計了仿生魚外形的滑翔機，機體重4 kg，長0.5 m，開環控制試驗驗證了其良好的機動性。密歇根理工大學的Mitchell等［7］設計了簡易的、低成本的水下滑翔機GUPPIE，該滑翔機沒有俯仰微調機構，而是利用置于機體前端的注射式浮力調節機構同時調節浮力與俯仰角度。

以上實驗尺度滑翔機在結構上做了簡化，如將浮力機構置于浮心處，從而使動力學模型變得簡單。但實際應用的滑翔機往往具有多個偏心質量，為此，應設計具有復雜結構的實驗尺度水下滑翔機以充分研究滑翔機各部分對動力學特性的影響。

本文擬設計一種實驗尺度無人水下滑翔機，主體長0.615 m，重5.38 kg，通過置于尾部的浮力調節機構改變自身浮力，采用無線通訊模式，并利用快速控制模型技術實現對滑翔機的實時監控，以為動力學及控制算法研究提供試驗平臺。

1　滑翔機設計與水動力參數確定

水下滑翔機的運動由浮力調節機構與姿態調節機構共同調節控制。其中：浮力調節機構不僅調節浮力，同時還調節俯仰角度；姿態調節機構輔助微調姿態，以使滑翔機可以比較精確地跟蹤設定軌跡。

綜合考慮水動力性能與制作成本等因素，本文設計的水下滑翔機主體為圓柱形，前端導流罩為半圓球體，后端導流罩為半橢球體?；铏C如圖1所示，機體的浮力調節機構、姿態調節機構、電控系統等均安裝在內部支架上。

水下滑翔機的水動力參數是設計機體內部機構的依據，垂直平面內的阻力D、升力L和俯仰力矩MDL可分別表示為［5］：

圖1無人水下滑翔機Fig.1 Autonomous underwater glider

式中：v1和v3分別為滑翔機在縱向和垂向的平移速度；α為攻角；KD0，KD，KL0，KL，KM0，KM均為水動力系數。

基于CFD計算垂直剖面內滑翔運動的阻力系數、升力系數及俯仰力矩系數，模擬計算如圖2所示。計算所得各參數與攻角的關系如圖3所示。擬合式（1）～式（3），得各水動力系數KD0= 0.197 8，KD= 15.42，KL0= 0，KL= 73，KM0= 0，KM= -3.68。

圖2基于CFD計算的滑翔機水動力參數Fig.2 Hydrodynamic parameters of underwater glider based on CFD

圖3水動力參數與攻角的關系Fig.3 Hydrodynamic parameters vs. attack angle

2　動力學模型

水下滑翔機內部機構的位置變化會對機體運動產生影響。為精確控制滑翔機運動，需要建立精確的動力學模型。

本文所設計的滑翔機內部結構如圖4所示。圖中：俯仰調節重塊1的質量為mˉ；連接盤2的質量為mc，連接絲杠螺母與活塞3，活塞連桿固定在連接盤2上；可變容積腔體4的質量為mb，隨吸排液體體積變化而變化；直線軸承5固定在連接盤2上。

圖4機體內部結構Fig.4　 Internal structure of the glider

水下滑翔機動力學參數如表1所示。

表1滑翔機參數Tab.1 Glider parameters

式中：w1為滑動質量mˉ的移動加速度；w2為可變質量mb的質量變化速率；m0為凈浮力質量；g為重力加速度。

3　控制器與觀測器設計

3.1 LQR控制器設計

對滑翔機的滑翔角度由-20°～20°的轉換過程進行仿真，在第12 s打開控制器，得到主要狀態變量的變化過程如圖5所示。

圖5狀態變量的變化軌跡Fig.5　 Trajectories of the state variables

控制轉換過程中的滑翔路徑如圖6所示，在控制器開啟后，水下滑翔機仍向下滑翔了0.3 m。在設置滑翔機設計及運行參數時，必須考慮到這一因素，避免耐壓殼體受損。

圖6設定路徑與仿真路徑Fig.6　 Set path and simulated path

3.2 Kalman觀測器設計

對于實際運行的水下滑翔機，可直接測量的反饋量通常為俯仰角度、滑塊位置及浮力系統可變部分質量。設計Kalman觀測器估計滑翔機的狀態變量。Kalman觀測器方程描述如下：

式（25）為狀態估計方程，式（27）為誤差協方差更新公式。式中：為狀態估計值；u為輸入變量；A和B分別為在平衡點線性化后的狀態矩陣和輸入矩陣；H為輸出矩陣；K為誤差增益；z為實測輸出（此處為滑塊位置、俯仰角度與浮力系統質量3個變量）；P為誤差協方差；R為觀測噪聲協方差，取觀測噪聲方差為0.2，噪聲均值為0。則有

對滑翔機的滑翔角度由-30°～30°的轉換過程進行仿真，Kalman觀測器初始值與狀態變量初始值相同。在測量環節加上均值為0.01的白噪聲干擾，得俯仰角度的變化如圖7所示。

4　水池試驗

圖7加入白噪聲干擾的觀測值Fig.7 Observation value with white noise

為簡化試驗過程，又方便控制方法的實現，本文采用上位機和下位機實時通訊的方法實現控制信號的傳輸和滑翔機數據的采集。利用NI的Veristand搭建滑翔機的快速控制原型。Veristand用于實現與下位機的數據交互。Labview共享Veristand中定義的變量，并做圖形予以顯示，以方便監控。一對通訊頻率為868 MHz的無線模塊實現上位機與下位機的實時通訊，其中一個位于機體耐壓艙內，工作時運行于水下環境；另一個位于試驗臺上，與上位機相連。該通訊頻率具有較好的穿透性，信號在水中衰減較慢。監控系統構成如圖8所示。

圖8監控系統Fig.8　 Monitoring and control system

試驗中，首先將活塞位置、滑塊位置調節到設計零點，然后再將滑翔機調整至懸浮狀態。試驗開始時，通過上位機設置目標滑翔角對應的滑塊位置，以及能提供目標凈浮力的對應的活塞位置。一個動態精度為±0.2°的慣性導航傳感器測量角度值，一個工作深度為50 m的壓力變送器測量深度，并利用電機編碼器反饋滑塊及浮力推動機構的位置信息。

試驗過程滑翔機各運行參數如圖9所示。

圖9實測狀態量Fig.9 Measured values

由圖9可看出，滑塊的位移響應較快，但角度響應出現了明顯的欠阻尼現象，有較大振蕩。由圖9（c）可看出，振蕩過程會影響到機體的滑翔路徑。在滑翔機實際運行過程中，可減慢內部滑塊的調節速度以提高機體運行路徑的精度。

滑翔過程的視頻截圖如圖10所示。

圖10水池試驗中的滑翔機Fig.10　 Glider in a tank

5　結　語

本文介紹了一種實驗尺度無人水下滑翔機的設計、建模、仿真與試驗。機體包含多個可移動部分，建立的動力學模型充分描述了各部分對動力學的影響，并利用CFD方法確定了水動力參數，探討了滑翔機的淺深度滑翔特性。設計了LQR控制器，結合Kalman觀測器實現了對滑翔機的實時監控，仿真結果表明，設計的控制系統在具有一定觀察噪聲的環境下可以保證系統正常運行。試驗結果表明，該滑翔機具有較好的穩定性與操縱性，可在3 m深度范圍內完成長時間的穩態滑翔運動，能為動力學及控制算法研究提供試驗平臺。

下一步將繼續完善滑翔機，提高其性能?；谒卦囼?，辨識更多的水動力參數及機械結構參數。進一步提高實時通訊速率，實現高級的控制算法在滑翔機上的應用。

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Design and experiment for laboratory-scale autonomous underwater gliders

YANG Hai1，LIU Yanji2，ZHANG Kai2

1 Shanghai Division，China Ship Development and Design Center，Shanghai 201108，China
2 State Key Laboratory of Marine Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Abstract：The autonomous underwater glider is a type of highly efficient autonomous underwater vehicle. Aiming at the problem that full-scale legacy gliders have difficulties in forming steady gliding movement in typical tanks, which induces obstacles in their dynamics analysis, a laboratory-scale glider is designed in this paper, where the glider design, modeling, control，and experimental research are described in detail. Firstly, the structure of the glider is described, and hydrodynamic parameters are calculated based on CFD. Secondly, the glider's dynamic governing equation is established according to the internal mass distribu?tion. Finally, the Linear Quadratic Regulator（LQR）controller and the Kalman observer are designed, and certain amount of white noise is added into the observation process. The simulation results show that the controller and observer ensure the normal operation of the glider in the presence of noise, and the glider can achieve steady gliding motion at 3 m depth range, suggesting good stability and maneuverability.

Key words：underwater glider；hydrodynamic parameters；Kalman observer；tank test

作者簡介：楊海（通信作者），男，1981年生，博士，工程師。研究方向：船舶動力裝置，海洋無人化裝備。E-mail：sjtu240yh@163.com劉雁集，男，1987年生，博士生。研究方向：水下滑翔機。E-mail：y.j.liu@sjtu.edu.cn

收稿日期：2015 - 05 - 25網絡出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U661.71

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.013

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.028.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：楊海，劉雁集，張凱.實驗尺度無人水下滑翔機設計與試驗［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：102-107，120. YANG Hai，LIU Yanji，ZHANG Kai. Design and experiment for laboratory-scale autonomous underwater gliders［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：102-107，120.