潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

廖林堅(jiān) 張明（中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著海洋領(lǐng)域相關(guān)活動(dòng)的不斷開展和海洋資源的不斷深入開發(fā)，各國(guó)深刻認(rèn)識(shí)到海洋權(quán)益與資源的重要性，都在逐步加大海洋高新技術(shù)的投入力度，大力推進(jìn)海洋探測(cè)設(shè)備及作業(yè)裝備技術(shù)的研發(fā)，潛水器作為其中重要的載體，在海洋勘察與開發(fā)中起著重要作用。潛水器，又稱水下運(yùn)載器或水下機(jī)器人，是一種具有一定視覺(jué)功能和感知功能、可以通過(guò)遙控或者自主方式在海水中移動(dòng)、使用工具、代替潛水員完成水下作業(yè)的設(shè)備，它綜合了操作控制、通訊、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)傳輸與處理等多方面技術(shù)，是集機(jī)械、流體、控制、電子等多學(xué)科的綜合體。由于我國(guó)在潛水器領(lǐng)域的發(fā)展較晚，關(guān)鍵核心技術(shù)大部分掌握在國(guó)外的手中，隨著我國(guó)對(duì)海洋勘探與資源開發(fā)的需求日益增強(qiáng)，潛水器的研制開始得到更多關(guān)注和投入，國(guó)內(nèi)相關(guān)組織機(jī)構(gòu)的自主研發(fā)也取得了不少突破和應(yīng)用，為我國(guó)深海開發(fā)與應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本文主要在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)內(nèi)外潛水器的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，旨在為同行開展相關(guān)研究提供思路和借鑒。

1 潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，潛水器的工作環(huán)境復(fù)雜而危險(xiǎn)，因此其在航行與作業(yè)中的安全性與穩(wěn)定性就顯得非常重要，借助完備的數(shù)學(xué)模型和先進(jìn)的控制策略設(shè)計(jì)潛水器外形與布局和控制系統(tǒng)對(duì)確保潛水器在水下安全高效的作業(yè)起著關(guān)鍵作用。查閱目前近幾年國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前科學(xué)界關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)主要有潛水器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、動(dòng)力控制分配技術(shù)、水動(dòng)力系數(shù)預(yù)報(bào)研究等，下面對(duì)這幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行匯總分析。

2 潛水器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

關(guān)于潛水器運(yùn)動(dòng)控制理論與算法，目前常用的主要包括PID控制及改進(jìn)的PID控制、滑模控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制、反步法、二次型最優(yōu)控制等理論，這些理論在控制器里有的是單獨(dú)應(yīng)用，有的是兩個(gè)控制算法綜合使用，這里介紹幾種主要的常用控制理論。

PID 控制一般是線性控制，控制效果主要取決于動(dòng)力系統(tǒng)的線性化模型的精度，由于海上環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，潛水器受復(fù)雜水流的影響較大，具有動(dòng)態(tài)的時(shí)變性和非線性，這使得PID控制受到很大限制，因此研究人員開始開發(fā)更先進(jìn)的PID控制器，如將模糊控制加入PID控制器，使用蟻群算法在線優(yōu)化PID 控制器參數(shù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與PID 控制結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制器的自校正等。

滑模控制最早是由蘇聯(lián)科學(xué)家提出，發(fā)展至今已形成較為完整的理論體系，其突出特點(diǎn)是滑動(dòng)模態(tài)對(duì)系統(tǒng)攝動(dòng)和外部干擾的不變形，缺點(diǎn)是存在非線性引起的自振，如Wallace M Bessa 等設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊滑模控制器，可以對(duì)潛水器電-液系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

自適應(yīng)控制是在線估計(jì)不確定的被控對(duì)象參數(shù)，并在控制器中使用這個(gè)估計(jì)值，常用的方法是模型參考自適應(yīng)控制和間接自適應(yīng)控制，如潛水器機(jī)械手的作業(yè)系統(tǒng)存在不確定性和有外界未知干擾問(wèn)題，可以采用基于最小二乘法估計(jì)的自適應(yīng)控制策略完成局部區(qū)域的跟蹤控制任務(wù)。

模糊控制理論是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示控制方法，借助模糊推理進(jìn)行決策，目前是人工智能領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的控制理論，也有學(xué)者開始將模糊控制策略用于潛水器的運(yùn)動(dòng)控制，這種控制策略不需要特別精確的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的控制，抗干擾能力較強(qiáng)，但語(yǔ)言規(guī)則限制了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性。

3 動(dòng)力控制分配技術(shù)

動(dòng)力控制分配策略最初主要應(yīng)用于船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)，隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展與成熟以及各種智能優(yōu)化算法的深入應(yīng)用，動(dòng)力控制分配逐步在航天器系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、海上浮式平臺(tái)系統(tǒng)和潛水器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域使用。潛水器運(yùn)動(dòng)控制分配系統(tǒng)主要包括動(dòng)力控制分配技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制算法，二者共同確保潛水器安全高效地在水中航行與工作，其中動(dòng)力分配控制主要是根據(jù)所給定的約束條件，以最小能耗為目標(biāo)合理分配各個(gè)推進(jìn)器的推力，目前控制分配算法主要有偽逆法、直接分配法、基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的優(yōu)化算法、動(dòng)態(tài)控制分配、多目標(biāo)優(yōu)化等。

偽逆法主要適用于推進(jìn)器不存在矢量布置角度優(yōu)化時(shí)的情況，由于其無(wú)法對(duì)矢量夾角進(jìn)行優(yōu)化，因此在全自動(dòng)控制系統(tǒng)中難以使用此算法。基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的優(yōu)化算法是把優(yōu)化問(wèn)題離散成等效的凸規(guī)劃序列，這種序列可以迭代，從而求出最優(yōu)解，這種算法主要適用于小規(guī)模的非線性約束的最優(yōu)化問(wèn)題。動(dòng)態(tài)控制分配算法是從控制算法解算的期望值出發(fā)，實(shí)時(shí)分配期望值給各個(gè)推進(jìn)器，使推進(jìn)器實(shí)際輸出與期望值盡可能相吻合，這種算法可以在冗余的情況下解決一定約束條件下的最優(yōu)化分配問(wèn)題，同時(shí)提高系統(tǒng)的故障容錯(cuò)能力。

4 水動(dòng)力系數(shù)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀

潛水器由于是完全浸泡在在幾百米甚至是幾千米的海水中作業(yè)，因此一般在研究時(shí)不考慮自由液面對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響，在水中進(jìn)行常規(guī)懸停操作作業(yè)或勻速緩慢的觀察作業(yè)時(shí)，只考慮粘性水動(dòng)力作用，而在做加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)則要考慮加速度帶來(lái)的附加質(zhì)量的影響，潛水器的水動(dòng)力系數(shù)目前常用的測(cè)算方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、CFD仿真計(jì)算法、系統(tǒng)辨識(shí)法、拘束或自航模型試驗(yàn)法等。

由于潛水器自身結(jié)構(gòu)形式多樣，上面還安裝各種監(jiān)視器和傳感器，目前還沒(méi)有足夠的資料可以支持水動(dòng)力系數(shù)的真實(shí)值計(jì)算，大部分情況下靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，由于這種計(jì)算方法的精度和適用性相對(duì)較差，在一些多方案優(yōu)化選型中無(wú)法推廣使用。CFD 流體仿真對(duì)于幾何外形較為規(guī)則及流線型外形的潛水器的適用性較強(qiáng)，但絕大多數(shù)的潛水器都屬于非規(guī)則外形的結(jié)構(gòu)，再加上潛水器上的各種附件，因此這種仿真算法受到很大限制。系統(tǒng)辨識(shí)法主要用于潛水器在實(shí)際航行中對(duì)水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行修正處理，而不能用于潛水器設(shè)計(jì)階段的水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算。目前最有效的方法是通過(guò)拘束或自航模型試驗(yàn)來(lái)獲取水動(dòng)力系數(shù)，但是試驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和金錢，由于所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和有效性較高，因而也是目前最受青睞的水動(dòng)力系數(shù)測(cè)算方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外潛水器的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，目前科學(xué)界關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)主要有潛水器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、動(dòng)力控制分配技術(shù)、水動(dòng)力系數(shù)預(yù)報(bào)研究等，其中潛水器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要包括PID控制及改進(jìn)的PID控制、滑模控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制、反步法、二次型最有控制、線性矩陣不等式等控制理論，動(dòng)力分配控制算法主要有偽逆法、直接分配法、基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的優(yōu)化算法、動(dòng)態(tài)控制分配、多目標(biāo)優(yōu)化等。潛水器的水動(dòng)力系數(shù)常用的測(cè)算方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、CFD 仿真計(jì)算法、系統(tǒng)辨識(shí)法、拘束或自航模型試驗(yàn)法等。由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，潛水器的工作環(huán)境復(fù)雜而危險(xiǎn)，這些關(guān)鍵技術(shù)在潛水器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用目前來(lái)看都是相對(duì)分散的，還處于不斷試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段，未形成系統(tǒng)化理論，隨著各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的同步發(fā)展與相互促進(jìn)，未來(lái)潛水器的設(shè)計(jì)與開發(fā)會(huì)更加智能，水下作業(yè)會(huì)更加安全高效。