自浮力冰下航行器

呂長軍,林祖杰,袁躍峰（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院,浙江　舟山　316022）

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自浮力冰下航行器

呂長軍,林祖杰,袁躍峰
（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院,浙江舟山316022）

摘 要：使用自主式水下航行器（AUV），可以有效解決冰上惡劣環境因素影響科研、施工的問題。自主式水下航行器在海洋科學調查、海洋資源開發以及軍事領域得到越來越廣泛的應用。本文研究一種冰下倒置的自主式水下航行器，改變水下航行器以往的運動方式，采用小車形狀的機器在冰下運行，使得工作環境相對穩定、工作方式簡化、工作效率提高。

關鍵詞：水下航行器；PID控制；自浮力

1　引言

AUV無論在軍事上還是在國民經濟中都有著廣泛的應用，國內外都對AUV給予了高度重視[1-3]。目前，研究的主要領域有幾個主要方面[4]：

（1）情報搜集。在海軍人員和潛艇無法進入的海域，進行情報搜集、監視和偵查。

（2）水雷對抗。UUV的使用極大地提高了海軍的水雷對抗能力。

（3）通信中繼。利用UUV作為通信接口，完成水面艦船和潛艇之間、指揮中心和水面艦船之間以及其它平臺之間的通信。

（4）海洋環境監測。平時對特殊海域的海洋環境和影響戰術活動的因素進行監視和數據統計，建立數據庫供戰時使用。

（5）其它應用領域。比如后勤支援和深水救難等。

本文研究一種冰下倒置的自浮力自主式水下航行器，以陸地上的車為原型，有利于讓機器獲得更穩定的工作環境。用于海洋科學調查、海洋資源開發等，有利于提高效率，避免了冰面上積雪難以行進的缺點，且不受冰上復雜地形的限制。

2　水下航行器結構

水下航行器的主要結構包括：前輪、后輪、前輪箱、后輪箱、連接部分。其中前輪為左、右單獨驅動的形式，在前輪箱中安裝電動機、驅動器、傳動機構、向上燈光等；后輪為從動輪，后輪箱中安裝各種傳感器、向下燈光；中間連接部分采用柔性材料，工作中可以具有一定的變形量，這是為了讓航行器能在不平坦的冰面上，始終與冰面貼合穩定運行。

2.1前輪、后輪

前輪、后輪采用鋁合金齒輪外緣，這樣的結構是用于增加航行器與冰面的抓合力，驅動航行器工作。航行器力學模型分析如圖1所示。

當航行器以速度v穩定運動時，航行器輪半徑為R，電機到輪的傳動比為i，效率為η。分析如下：

可根據工作環境的不同要求選擇航行器電機的型號。

2.2其他結構

前后輪箱的主要作用是安置工作儀器以及提供自浮力，結構為六棱柱形狀的密封筒。連接部分使用較為柔韌的橡膠材料，當運動環境不穩定時具有吸震的作用，使航行器可以在前輪與后輪之間形成一定夾角的情況下穩定運行。

3　協調控制

水下航行器的執行裝置采用模塊化的設計方法，需要控制航行器的加減速、轉向等運動狀態，則需設計執行機構模塊及其相應的控制模塊，然后將各模塊通過CAN總線與上層決策系統進行連接，從而實現水下航行器的自動操控。本文采用兩個電機分別控制左、右前輪的運動狀態。

3.1轉向控制

在航行器工作中，前輪是由無刷直流電機驅動的。改變左右輪的電壓使電壓不同，則改變了電機轉速使得兩輪速度不同，達到轉向的作用。取其中一個電機分析如下，加在直流電機電樞回路兩端的控制電壓為u ，電流為i，電機轉子的轉角為，電機的等效電阻和電感分別為R、L，電機的電勢系數為，則電樞回路的電壓平衡方程：

本文中使用電機功率小，且電感系數L很小，若忽略不計則：

可得電機的工作受力關系式：

3.2速度控制

水下航行器運動狀態包括加速、減速和勻速運行，采用轉速、電流反饋控制直流調速系統，保證運行的穩定性不受環境變換的影響。雙閉環直流調速系統的穩態結構如圖2所示，兩個調節器均采用帶限幅作用的PI調節器。轉速調節器ASR的輸出先負電壓決定了電流給定的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調節器的作用。

雙閉環調節系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系：

4　控制系統

根據實際工作要求設計航行路線，使用人工遙控或PID控制的方法，控制航行器的加速、減速或轉向，并且比較實際工作路線與設計路線的差別，并通過負反饋調節路線，控制航行器準確的達到預期的工作位置，控制系統圖如圖3。達到控制效果所需要的硬件結構，主要有定位GPS、芯片、傳感器、工作電機、解碼器等。

4.1控制方法

PID控制具有結構簡單、穩定性能好、可靠性高等優點，其中一個關鍵的問題是PID參數的整定，傳統的方法是在獲取對象數學模型的基礎上，根據某一整定原則來確定參數，實際應用中，許多被控過程機理復雜，具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點。針對其參數整定不良、性能欠佳，對被控過程的適應性差等缺點采用模糊控制與自適應PID控制結合起來，設計了模糊自適應PID控制器。利用模糊推理方法實現對PID參數的在線自整定，進一步完善PID控制器的性能，提高系統的控制精度。本文采用自適應模糊PID控制，自動整定控制參數，能夠適應被控過程參數的變化，又具有常規PID控制器的優點。

4.2控制系統硬件

水下航行器的控制系統硬件以MK60DN512ZVLL10芯片為核心，硬件系統結構包括定位器、串行通信單元、傳感器、解碼器、電源轉化單元、復位電路、數據存儲單元、Can接口、驅動器；操縱控制器根據速度傳感器和定位器分別輸入工作時的速度和位置信息，速度傳感器把檢測到的信息輸入給解碼器，定位器把航行器位置通過串行通行單元輸入，芯片處理輸入信息，并通過Can接口輸出信息控制速度驅動器和轉向驅動器，從而控制航行器運動狀態；復位電路實現軟硬件兩種模式的復位；電源轉化單元給硬件系統供電。

5　總結

本文研究了一種自浮力冰下航行器，并且對力學、控制模塊進行建模，理論的推導。

參考文獻：

[1]馬偉鋒,胡震. AUV的研究現狀與發展趨勢[J].火力與指揮控制，2008,33(06):10-13.

[2]胡玉梅.無人水下航行器的發展與展望[J].電子世界，2013(14):71-72.

[3]夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制[J].電工技術學報，2012,27(03):25-34.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.195