全驅動AUV動力定位系統設計與實現

周啟潤,曾慶軍,姚金藝,朱志宇,戴文文

(江蘇科技大學 電子信息學院,江蘇 鎮江,212003)

0 引言

動力定位技術的研究始于上世紀 60年代,現被廣泛應用于工程船舶以提高船只的深海作業能力[1]。隨著自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)的任務越來越多樣化,人們對 AUV的使用環境也提出了更高的要求,不僅需要AUV潛得更深、航行得更遠,還需要AUV能在淺海、湖泊、河道完成更為細致的勘察工作[2]。出于對運輸和成本的考慮,近水面任務中使用的 AUV設計小巧,難以依靠自身慣性抵抗環境擾動。AUV的動力定位是通過一系列執行器(主要是推進器)抵消環境干擾,并使自身以一定的姿態和距離保持在一個基準點或基準線附近[3],這對提高 AUV運動控制和水下作業時的靈活性和精確性有著重要意義。

AUV多用以巡航式作業,需要一定的速度來平衡自身的正浮力[4],為了滿足水下定點目標識別、搜救任務,AUV需要配置多個推進器以達到最有效的控制[5]。Sarkar等[6]結合最優控制變分法原理,設計了一種基于滑?？刂频娜寗覣UV運動控制律,并通過仿真證明其有效性。葛暉等[7]考慮以 AUV艏向指向來流方向來充分發揮主推優勢,從控制層面針對全驅動 AUV推進器進行能耗改進。Aguiar等[8]基于自適應控制通過航路點引導 AUV到達目標點進行原地動力定位。Pyo等[9]設計了一種開架式作業型AUV用于水下檢測,完成了特定軌跡的圖像拼接試驗。

目前,由于能耗和推進器效率的問題,針對AUV動力定位的研究局限于仿真和實驗室環境,對實際情況下近水面動力定位的分析極為有限。文中以全驅動AUV“探海I型”為對象,進行AUV水下動力定位湖試分析。在對 AUV的動力定位控制中,依靠光纖慣導、多普勒計程儀和深度計組成水下航位推算系統計算當前位置,將運動控制分為姿態控制和距離控制兩部分,使用比例-積分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制方法計算所需的推力和轉矩,最后對各推進器的推力進行分配,使AUV動態保持在給定位置。

1 “探海I型”AUV系統結構

“探海I型”AUV具備水面無線遙控、光纖遙控和水下自主作業 3種工作模式,外形采用魚雷形設計,表1為該AUV性能指標。

如圖1所示,該AUV主要由艏段、電子艙段、艉段三部分組成:艏段裝有水下燈、攝像機和避碰聲吶;在電子艙段前后配有 4個輔助推進器,包含2路側向推進器和2路垂向推進器,用以對AUV的姿態進行調整;艉段主要包含主推進器和4個X型分布的舵,當AUV改變內部部件時,可以通過手動調整X型舵的角度來平衡多余的附加轉矩,同時艉段包含有電磁鐵拋載塊,AUV自身也存在6 N的正浮力,可完成緊急情況下的自救。

圖1 “探海I型”AUV實體樣機Fig.1 Physical prototype of T-SEA I type AUV

從結構上劃分,AUV的硬件系統可以分為水面甲板單元和水下 AUV本體2部分,如圖2所示。AUV的主控單元是所有水下硬件系統的核心,由2塊主從PC104板構成:一塊PC104作為主控板主要完成與甲板單元的通信、AUV自主導航和運動控制;另一塊PC104作為從控板對聲吶數據與視頻數據進行處理,兩者之間通過 485通信模式傳輸數據。

圖2 “探海I型”AUV硬件配置Fig.2 Hardware configuration of T-SEA I type AUV

“探海 I型”AUV整體采用模塊化設計,可方便實現各模塊更換。當前試驗配備有以下4個導航傳感器:1)全球定位系統(global positioning system,GPS);2)光纖陀螺羅盤;3)深度計;4)多普勒速度計程儀。

2 全驅動AUV動力定位工作原理

AUV動力定位系統由位測系統、控制系統和推力分配三部分構成[10],由于水下無法接收到GPS信號,AUV需要通過光纖慣導、多普勒計程儀和深度計推算實際位置,通過PID控制計算恢復到目標位置的推力與轉矩,從而實現 AUV的動力定位。

2.1 位測系統

AUV動力定位控制器依賴于水下位測系統的測量信息,水下位測系統包含姿態角測量、深度測量和航位推算。姿態角和深度信息可以通過光纖慣導和深度計測得;航位推算需要定義AUV入水點作為推算起始點,以AUV的航向、速度和航行時間作為依據,從而推算出 AUV在水下的經緯度坐標[11]。

這里采用地球參考橢球體作為地球的幾何形狀,長半軸為a,短半軸為b,λ為當前位置經度坐標,φ為緯度坐標,如圖3所示[12]。

圖3 航位推算示意圖Fig.3 Schematic diagram of dead reckoning

首先計算AUV在GPS坐標系下的位移增量

式中:ΔSE、ΔSN為AUV東向、北向的位移增量;ψ為航向角;VE、VN為AUV在東、北方向的速度分量;Vx、Vy分別為多普勒計程儀測得的相對大地的前向速度和左向速度[13]。

AUV的位移增量在緯線圈和子午圈中近似表示為一段圓弧,可以通過除以曲率半徑得到經緯度增量。其中,緯線圈可以看作正圓,并隨緯度增加而變小,子午圈是一個扁平的橢圓,其第一偏心率

緯線圈曲率半徑r只與緯度φ有關,即

子午圈的橢圓曲率半徑

結合式(1),在tn(n＞0)時刻,AUV在水下的經緯度可表示為[14]

式中:λ、φ為推算的經緯度;λ0、φ0為入水時經緯度。

2.2 控制系統

AUV的動力定位控制器采用PID算法,PID算法是將偏差量的比例、積分、微分環節相加作用于被控對象,從而實現對被控對象的控制,控制輸出表達式

式中:kP為比例常數;kI為積分常數;kD為微分常數;e(n)為目標值與真實值間的偏差量。

AUV動力定位控制系統需要對縱傾角、深度、進退、平移和航向角5個自由度的運動進行控制,在控制器設計時,假定各自由度間不存在耦合關系,對5個自由度分別設計單通道PID控制器。由于導航傳感器采樣頻率不同,將控制輸出分為姿態PID控制(縱傾角、航向角)和距離PID控制(進退、平移、深度)兩部分進行計算,如圖4所示。

圖4 控制器框圖Fig.4 Block diagram of controllers

在對 AUV的位姿信息處理中,深度、縱傾角、航向角可以將傳感器數據直接用于圖4中的位置和姿態信息,經緯度是地球橢球體表面的位置信息,需要轉化成平面距離信息再計算控制偏差。

AUV經緯度的平面化使用高斯投影變換,根據式(2)第一偏心率和式(3)緯線圈曲率半徑可以得到卯酉圈曲率半徑RN和第二偏心率e'

高斯投影變換前需要計算輔助變量t、m和η

式中,λ0為中央經線。

將式(7)與式(8)代入式(9)可以得到適合運算的高斯投影平面內坐標(x',y')

式中:X為子午線弧長[15]。

當已知動力定位目標點在高斯投影平面內的坐標為(Xobj,Yobj)時,可以計算進退和平移控制偏差(xobj,yobj),即

2.3 推力分配

“探海I型”AUV配備1個主推進器和艏艉4個輔助推進器,各推進器的推力需要根據式(11)進行分配

式中:T0為推進器補償的推力;T1為主推推力;T2、T4為艏艉 2個側向推進器推力;T3、T5為艏艉 2個垂向推進器推力;TX,TY,TZ,TM,TN分別為進退、平移、深度、縱傾角和航向角控制需要的推力和轉矩;d2,d3,d4,d5為推進器力臂;C為縱傾系數。

3 AUV動力定位湖試結果分析

為了驗證動力定位系統的性能和抗干擾能力,于2017年11月在某試驗場進行湖試。試驗場湖底平坦,水深范圍5～50 m,湖水流速不大于2 kn,湖面平靜,試驗條件較好。試驗開始時 AUV航向角16°,如圖5所示,定位深度5 m,目標航向270°。試驗步驟如下:第1階段,AUV從水下接近給定目標;第2階段,在目標位置處動力定位30 min。

表2是AUV在系統穩定后的動力定位誤差,圖6～圖8是相應的動力定位狀態曲線,試驗結果表明,在控制器切換后,AUV能夠快速到達目標位置。雖然因為控制器切換引起各自由度運動超調的現象,但是在動力定位系統的作用下,AUV能夠平穩過渡到目標狀態,水平位置誤差精度在±0.2 m,滿足實際工程應用要求。

圖7 AUV動力定位深度變化Fig.7 Change of depth in AUV dynamic positioning

從圖表上還可以發現,由于受到環境干擾的影響,AUV運動存在抖振,尤其是在航向角方面,如圖9～10所示,在水流波動的影響下,在1 700 s后AUV航向角發生偏離,AUV需根據實際狀態不斷調整、改變艏艉段側向推進器的轉速,實時校準位置和姿態,可有效處理環境干擾,在一定程度上保證AUV定位的準確性。

4 結束語

圖8 AUV姿態角變化Fig.8 Changes of AUV attitude angles

圖9 航向角干擾Fig.9 Interference of heading angle

圖10 推進器轉速Fig.10 Speeds of propellers

動力定位控制是全驅動 AUV運動控制中的一種重要的控制形式。文中針對自主研發的全驅動“探海I型”AUV進行水下動力定位湖試試驗分析,依靠光纖慣導、多普勒計程儀和深度計組成水下航位推算系統實時測量定位誤差,根據定位誤差計算并分配推力。該方法簡單易行,實用性強,具備抵抗環境干擾的能力,能夠保證一定的定位精度。試驗中也發現 AUV近水面動力定位易受環境擾動的問題,尤其是姿態角的擾動容易影響聲學設備的成像精度,限制了 AUV在水下搜救、目標定位等任務的應用。后續還將對AUV近水面運動建立精確的環境擾動、AUV自身和推進器系統模型,采用數據融合技術對AUV狀態進行實時估計,并對干擾進行預測及補償,從而提高AUV動力定位系統的穩定性。