基于偶極勢場的移動回收站空間回塢導引算法

齊貝貝, 嚴衛生, 高 劍

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基于偶極勢場的移動回收站空間回塢導引算法

齊貝貝1, 嚴衛生2, 高 劍2

(1. 西安航空職業技術學院 航空維修工程學院, 陜西 西安, 710089; 2. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

針對自主水下航行器(AUV)的自主回收問題, 提出了一種基于偶極勢場的移動回收站空間回塢導引算法。在回收站移動的情況下, AUV動態測量應答器的位置, 從而獲得AUV在對接坐標系下的坐標和姿態角, 利用建立的偶極勢場計算出期望的航向角和俯仰角, 期望的橫滾角設為零。在偶極勢場的導引下, AUV沿回收站的中軸線進入回收站。將AUV的控制分解為縱平面和水平面兩部分, 通過采用自適應非奇異終端滑模控制的方法, 分別保證航向角和俯仰角回塢控制的魯棒性和自適應性。最后, 仿真結果證明了在回收站移動的情況下, 所設計的空間回塢導引算法是有效的。文中的工作可為移動回收站的回塢對接研究提供參考。

自主水下航行器; 移動回收站; 空間回塢導引; 偶極勢場; 自適應非奇異終端滑模控制

引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)在軍事和民用領域都有著巨大的應用前景。由于受制于體積與質量, AUV在執行任務時只能攜帶有限的能源, 為了實現長時間的水下工作, 需要在水下對AUV進行能量的補充; 同時, AUV在水下執行復雜任務時, 需要與水下對接平臺進行信息交換, 包括任務信息的上傳與任務使命的下載。因此, 自主回收控制技術已成為當前海洋工程領域的關鍵技術之一。

Lee等[1]基于視覺伺服的對接控制方法, 設計海流觀測器, 使用李雅普諾夫直接法證明海流觀測器的穩定性, 在線性終端導引律的設計中考慮海流的影響[2]。蒙特利海洋系統研究所針對AUV自主回收問題研究了一類水下固定式回收器[3], 在2005年和2006年分別進行了回塢和對接的海上試驗。把回收對接過程分解為回塢和入塢2個階段, 分析了2個階段的視線導引法及跟蹤控制法。Ken[4]通過使用視覺導引和橫向跟蹤控制的方法對AUV運動進行了研究, 忽略海流的干擾, AUV從初始位置開始運動, 采用滑模控制, 最終進入回收器。吳澤偉等[5]針對AUV回收控制問題, 采用了一種基于主-從系統同步的思想, 回收站在運動狀態下實現了對AUV的自主回收。Gao等[6]基于超短基線(ultra short base line, USBL)聲學定位系統, 以體坐標系下的坐標通過非線性反演技術設計反演對接控制器, 實現AUV的對接控制。Panagou等[7]首次提出了通過偶極勢場進行運動控制的算法。嚴衛生等[8]針對AUV的水平面回塢導引問題, 采用偶極勢場進行對接導引。

文中提出了基于偶極勢場的移動回收站空間回塢導引算法, 針對回收站隨海流移動情況下, 對回收站自主回收AUV進行研究。移動回收站的空間回塢導引, 更符合實際應用中AUV動態回收的情形。文中, AUV動態測量固定在回收站上應答器的位置, 從而計算出AUV在對接坐標系下的坐標, 利用建立的偶極勢場計算出期望的航向角和俯仰角, 期望的橫滾角設為零。然后采用了自適應非奇異終端滑模控制的方法, 從而保證了航向角和俯仰角跟蹤控制的魯棒性和自適應性。仿真結果證明了空間回塢導引算法是有效的。

1 問題描述

1.1 坐標系

1.2 AUV動力學和運動學模型

文中, AUV在3D空間中運動, 并考慮模型參數的不確定項。AUV的動力學和運動學模型為[9]

設運動中AUV的橫滾角為零, 并將其運動分為縱平面和水平面的運動兩部分, 不考慮2個平面運動的耦合, 可分別得到如下2個平面內的運動簡化模型[9]

2 AUV運動參數確定

記從體坐標系到回收坐標系的坐標變換矩陣

偏航角真值如表1所示。

表1 偏航角真值表

3 偶極勢場

在球坐標系中, 空間中任意一點的場強[11]

其中

如圖3所示, 電偶極子的電場線垂直于電偶極矩并趨近于原點。

經研究得到更為簡化的公式[12]

3D偶極勢場在各個軸上的分量如圖4所示, 假設期望的橫滾角為零, 可以計算出期望的偏航角和俯仰角。

4 自適應非奇異終端滑模跟蹤控制

在文中的回收控制中, 航向角和俯仰角的跟蹤控制是一個非常重要的問題, 是保證AUV回塢導引效果的關鍵。

4.1 水平面控制

定義航向角的跟蹤誤差

在傳統的滑模變結構控制中, 有限的時間內系統狀態不能漸近地收斂到零。因此采用非線性函數設計滑模面可有效改善穩態跟蹤精度, 進一步采用非奇異終端滑模變結構控制的方法[8,13], 可避免普通終端滑模變結構控制設計中的奇異問題。

定義非奇異滑動面

選擇舵角

由式(17)可得

定義李雅普諾夫函數

其導數

將式(18)代入式(3), 得

選擇舵角

代入式(25)和式(26), 得

4.2 縱平面控制

與水平面的情形類似, 定義俯仰角誤差

定義非奇異滑動面

選擇舵角

5 仿真與仿真分析

圖8 AUV空間回塢俯仰角變化圖

Fig. 8 Curves of pitch angle of 3D docking versus time for an AUV

從圖6中可以看到, 在回收站發生移動的情況下, 采用自適應非奇異終端滑模控制, AUV能夠以較光滑的軌跡、在較短的時間內進入回收站。AUV航行過程中偏航角和俯仰角的變化分別如圖7和圖8所示, 實際偏航角和指令偏航角的誤差、實際俯仰角和指令俯仰角的誤差都非常小, 可以完成回塢任務。AUV航行過程中垂直舵角和水平舵角的變化如圖9和10所示, 從圖中可以看出, 剛開始時為了調整初始航向, 舵機打滿舵; 當跟蹤上期望的姿態角之后, 舵角始終保持較小值。加入隨機噪聲對回塢軌跡和航向角的變化影響很小, 說明了導引算法的有效性。

6 結束語

文中針對移動回收站的AUV空間動態回收問題, 提出了一種基于偶極勢場的空間回塢導引算法。在回收站移動的情況下, 首先AUV動態地測量回收站上應答器的位置, 從而計算出AUV在對接系下的坐標, 利用建立的偶極勢場計算出期望的航向角和俯仰角。然后將對AUV的控制分解為縱平面和水平面兩部分, 忽略2個部分運動的耦合。自適應非奇異終端滑模控制作為控制方法, 分別保證了航向角和俯仰角跟蹤導引控制的魯棒性和自適應性。最終仿真結果證明了該空間回塢導引算法是有效的。仿真中移動回收站的移動條件比較理想, 綜合考慮海流和海浪的影響將是下一步研究的方向。

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[8] 嚴衛生, 齊貝貝, 高劍, 等. 基于偶極勢場的自主水下航行器回塢導引算法[J]. 系統工程與電子技術, 2016, 38(4): 902-908.Yan Wei-sheng, Qi Bei-bei, Gao Jian, et al. Dipolar Field based Homing Guidance Algorithm for an Autonomous Underwater Vehicle[J]. Systems Engineering and Electr- onics, 2016, 38(4): 902-908.

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(責任編輯: 楊力軍)

3D Docking Guidance Algorithm Based on Dipole Field for a Moving Dock Station

QI Bei-bei1, YAN Wei-sheng2, GAO Jian2

(1.College of Aircraft Maintenance Engineering, Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an 710089, China; 2. Colle- ge of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To solve the autonomous docking problem of an autonomous undersea vehicle(AUV), a three-dimensional (3D) docking guidance algorithm based on dipole field is presented for a moving dock station. The position of the transponder is dynamically measured under moving condition of the dock station, and the coordinate and attitude angle of the AUV in docking coordinate system are obtained. The expected heading angle and pitch angle are calculated by using the established dipole field, and the expected roll angle is set to zero. Under the guidance of dipole field, the AUV enters the dock station along the central axis. The control of the AUV is decomposed into two parts in respective longitudinal plane and horizontal plane. By adopting adaptive nonsingular terminal sliding mode control, the robustness and adaptability of controlling heading angle and pitch angle in docking are guaranteed. Simulation shows that the 3D docking guidance algorithm is effective for the moving dock station. This work may provide a reference for the research on docking of moving dock station.

autonomous undersea vehicle(AUV); moving dock station; three-dimensional docking guidance; dipole field; adaptive nonsingular terminal sliding mode control

齊貝貝, 嚴衛生, 高劍.基于偶極勢場的移動回收站空間回塢導引算法[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(3): 221-227.

TJ630; TP242.3; TP273

A

2096-3920(2018)03-0221-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.006

2018-01-28;

2018-03-28.

齊貝貝(1990-), 女, 碩士, 主要研究方向為水下航行器導航與控制.