大尺度高速水下無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

王文晉，王冠學(xué)，李奔，徐國華

華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

無人水下航行器（UUV）在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用。無人水下試驗(yàn)艇是一種特殊的無人水下航行器，它以按相似理論設(shè)計(jì)建造的潛艇自航模型為基礎(chǔ)，可進(jìn)行操縱性、快速性、隱身性等航行性能的綜合試驗(yàn)。無人水下試驗(yàn)艇模擬得到的數(shù)據(jù)可靠直觀，可以與拖曳水池、風(fēng)洞拘束模型的試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充，且多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可移植到實(shí)際潛艇上，未來還能推廣至無人潛艇，有助于推動無人潛艇發(fā)展，是一項(xiàng)值得發(fā)展的新技術(shù)[1-3]。

早在20世紀(jì)50年代，美國海軍就研制了常規(guī)動力的“大青花魚”號高速載人試驗(yàn)艇，其被認(rèn)為是無人水下試驗(yàn)艇的前身[4]。其后，在70～90年代，美國海軍基于在研的3型攻擊核潛艇的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在研究論證階段開發(fā)了3艘水下無人試驗(yàn)艇，為潛艇泵噴槳的設(shè)計(jì)、低噪聲艇型水動力布局和操縱面設(shè)計(jì)及其他大量新技術(shù)以及新裝備的驗(yàn)證提供了技術(shù)支撐[4-7]。我國從自主研制潛艇的初期就提出開發(fā)無人水下試驗(yàn)艇，至今已開展了一系列工作，主要以研仿和局部改進(jìn)為主。其中，劉洋等[8]已完成試驗(yàn)艇操縱性常規(guī)驗(yàn)證試驗(yàn)，在制造技術(shù)、水下通信技術(shù)、實(shí)時(shí)軌跡跟蹤技術(shù)、操縱性試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)等方面積累了經(jīng)驗(yàn)。

本文研究的大尺度高速水下無人艇（以下稱無人艇）是一種面向開展快速性和隱蔽性試驗(yàn)而研制的無人水下航行器，同時(shí)也是我國新一代潛艇自航模。該無人艇搭載的設(shè)備復(fù)雜多樣，試驗(yàn)航速高，且試驗(yàn)時(shí)對航行器的位姿控制精度提出了較高要求，因此其控制系統(tǒng)及航行控制算法的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。該無人艇的典型試驗(yàn)工況為路徑跟蹤，而海軍工程大學(xué)研制的試驗(yàn)艇因試驗(yàn)航速較低且以操縱性試驗(yàn)為主[8]，故不具備借鑒意義。為此，本文擬總結(jié)自主式水下航行器（AUV）的路徑跟蹤算法，一方面因其巡航航速較低，另一方面所采用的路徑跟蹤算法通常將其空間路徑跟蹤問題分解為水平面和垂直面的平面路徑跟蹤問題，而這種平面制導(dǎo)方法雖能實(shí)現(xiàn)既定的路徑跟蹤功能，但對于三維曲線路徑跟蹤任務(wù)而言，直接計(jì)算三維空間下的制導(dǎo)率是一種更好的選擇。另外，本文所研究的水下無人艇需在較大的航速范圍下試驗(yàn)，故要求制導(dǎo)率具備航速的自適應(yīng)能力。為此，本文擬圍繞該無人艇的控制系統(tǒng)，簡要概括其功能及體系結(jié)構(gòu)，闡述自適應(yīng)三維空間制導(dǎo)與運(yùn)動控制等關(guān)鍵技術(shù)的工作原理，并通過湖試及結(jié)果分析，展示該大尺度水下高速無人艇控制系統(tǒng)的性能。

1 無人艇概述

該無人艇模型由某型潛艇按一定比例縮比而成，總長約11 m，排水量約8 t，設(shè)計(jì)航速最高可達(dá)17 kn。作為推進(jìn)器性能試驗(yàn)平臺，采用鋰電池作為整船動力，配備有待試驗(yàn)的新型推進(jìn)器。另外，使用圍殼舵、方向舵和分離式艉舵調(diào)節(jié)姿態(tài)，并搭載有高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)、多普勒測速儀（DVL）、深度計(jì)、高度計(jì)和避碰聲吶，可提供精確的導(dǎo)航信息，使無人艇能夠在有限水域內(nèi)安全航行。

無人艇還具備了水面無線遙控、光纖遙控和水下自主航行這3種工作模式，可完成試驗(yàn)任務(wù)要求的多種機(jī)動動作，例如水面直航、水面回轉(zhuǎn)、定深直航等，同時(shí)還可對機(jī)動過程中的多項(xiàng)特征參數(shù)進(jìn)行測量和記錄。無人艇試驗(yàn)的基本過程如圖1所示。

圖 1 無人艇試驗(yàn)基本過程Fig. 1 Basic processdures of test for the UUV

無人艇排水量更大，航速是常規(guī)AUV的3～4倍，慣性增大將延長航行器的應(yīng)舵時(shí)間，高航速則強(qiáng)化了航行器各自由度間的耦合，這些都增加了航行控制的難度。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人艇上設(shè)備數(shù)量眾多，各設(shè)備接口形式不盡相同，為了有效管理設(shè)備，避免因使用單一控制器造成的負(fù)載過高問題，也為了提高硬件的模塊化程度，按功能需求，分別設(shè)計(jì)了水下主控單元、導(dǎo)航單元、運(yùn)動規(guī)劃與控制單元、動力單元、基礎(chǔ)控制單元、應(yīng)急單元及水下數(shù)據(jù)存儲單元。其中，應(yīng)急單元在正常試驗(yàn)時(shí)可監(jiān)測各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，若診斷出故障且確認(rèn)無人艇需中止試驗(yàn)，應(yīng)急單元將取代水下主控單元并調(diào)度其他控制器完成應(yīng)急自救。

正常工況下，無人艇控制系統(tǒng)以水下主控單元為控制核心，各功能單元在其調(diào)度下實(shí)現(xiàn)信息共享，并協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。如圖2所示，無人艇控制系統(tǒng)信息傳遞及工作流程分為5個(gè)步驟，對應(yīng)圖中的①～⑤。流程①表示水下主控單元查詢基礎(chǔ)控制單元、動力單元及導(dǎo)航單元獲取實(shí)時(shí)舵角、轉(zhuǎn)速和導(dǎo)航傳感器的位姿信息；流程②表示水下主控單元將流程①查詢所得信息發(fā)送至運(yùn)動規(guī)劃與控制單元；流程③表示運(yùn)動規(guī)劃與控制單元根據(jù)無人艇實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，解算出轉(zhuǎn)速和舵角指令并發(fā)送至水下主控單元；流程④表示水下主控單元將舵角和轉(zhuǎn)速指令分別發(fā)送至基礎(chǔ)控制單元和動力單元；流程⑤表示水下主控單元將無人艇狀態(tài)發(fā)送至應(yīng)急單元進(jìn)行故障診斷，并發(fā)送至水下存儲單元存儲。

圖 2 無人艇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Structure diagram of control system for the UUV

3 航行控制原理

3.1 自適應(yīng)制導(dǎo)

在進(jìn)行無人艇路徑跟蹤時(shí)，引入了基于視線角（LOS）的自適應(yīng)制導(dǎo)律，為航行器提供了符合操縱性特點(diǎn)的運(yùn)動制導(dǎo)，同時(shí)為其在高速運(yùn)動狀態(tài)下的控制指令解算提供安全、可行的運(yùn)動姿態(tài)調(diào)整依據(jù)。對于規(guī)劃航跡的跟蹤而言，可在參考航跡上選擇一個(gè)虛擬目標(biāo)點(diǎn)，該目標(biāo)點(diǎn)不受時(shí)間的嚴(yán)格限制，可以協(xié)同增速或減速，以配合無人艇減小跟蹤誤差。這種不受時(shí)間直接影響提供額外自由度的思想，使得航跡跟蹤系統(tǒng)具有了更強(qiáng)的魯棒性，在高速航行時(shí)仍可保證平滑的運(yùn)動軌跡，抵抗外部環(huán)境干擾且不會導(dǎo)致閉環(huán)控制系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖 3 三維路徑跟蹤示意圖Fig. 3 Diagram of path following in 3D space

根據(jù)式(1)給出的位置誤差，設(shè)計(jì)如式（2）所示路徑跟蹤制導(dǎo)率。操舵行為，如果目標(biāo)軌跡趨近于一條較陡的曲線，舵手會提前增大操舵角，使艇在高速航行情況下仍能適應(yīng)軌跡變化方向而自動改變航向；如果需要跟蹤一條直線，則漸近地減小操舵角，使艇平緩地趨近于直線航跡。因此，可通過規(guī)劃航跡的曲率特性，自適應(yīng)地改變視線制導(dǎo)的增益值，提高艇在高速運(yùn)動時(shí)的控制性能。

因此，可以證明在設(shè)計(jì)的制導(dǎo)率下，路徑跟蹤誤差將收斂至零。

由于本文大尺度高速水下無人艇的試驗(yàn)航速跨度大，為6～17 kn，為了保證各航速下無人艇的路徑跟蹤能力，采用了模糊化思想調(diào)節(jié)制導(dǎo)增益，實(shí)現(xiàn)三維空間下自適應(yīng)制導(dǎo)功能。設(shè)計(jì)的自適應(yīng)制導(dǎo)增益為

表 1 自適應(yīng)制導(dǎo)率采用的模糊規(guī)則Table 1 Fuzzy control rules utilized for adaptive guidance law

3.2 運(yùn)動控制

實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明：對于左、右舷對稱且大長寬比的細(xì)長型航行器，其運(yùn)動可按縱向和橫向運(yùn)動進(jìn)行分解，其中前向速度控制又可進(jìn)一步從縱向子系統(tǒng)中解耦出來單獨(dú)進(jìn)行控制。因此，本文采用了解耦控制的方法，針對無人艇航速、航向、縱傾角和深度分別設(shè)計(jì)了單獨(dú)的控制器，通過各控制器的配合，可保證無人艇完成航向保持、航向調(diào)節(jié)、深度保持、深度調(diào)節(jié)、定深直航和路徑跟蹤等各種試驗(yàn)動作。

綜合前文給出的自適應(yīng)制導(dǎo)方法及本節(jié)描述的運(yùn)動控制算法，引入設(shè)定指令和狀態(tài)反饋濾波器，得到航行控制系統(tǒng)工作原理圖，如圖4所示。

圖4中所用的變量含義如表2所示。

表 2 控制算法變量定義Table 2 Variable definition in control algorithm

圖 5 二階濾波器結(jié)構(gòu)框圖Fig. 5 Structure diagram of second order filter

4 湖試結(jié)果分析

大尺度高速水下無人艇的航行試驗(yàn)在內(nèi)陸某水庫進(jìn)行，試驗(yàn)水域及試驗(yàn)航道如圖6所示。圖中紅色實(shí)線為無人艇完成試驗(yàn)動作的航道 ，為了預(yù)留足夠的加速空間以達(dá)到指定的試驗(yàn)航速，無人艇需沿2條不同的航線自行往返于水庫兩端。試驗(yàn)時(shí)，首先將無人艇遙控至目標(biāo)航線起點(diǎn)附近，然后設(shè)置無人艇為自主模式，切換成功后無人艇將在航行控制器的作用下趨近目標(biāo)航線并下潛至試驗(yàn)深度，在即將到達(dá)目標(biāo)航線終點(diǎn)時(shí)，無人艇將自動上浮并遠(yuǎn)程發(fā)送試驗(yàn)完成信號，等待下一次試驗(yàn)任務(wù)。

大尺度高速水下無人艇是航行性能綜合試驗(yàn)平臺，本文以推進(jìn)器性能試驗(yàn)時(shí)的航行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。在進(jìn)行推進(jìn)器性能試驗(yàn)時(shí)，要求無人艇下潛至指定深度后，沿固定航向以固定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定航行一段時(shí)間，期間盡可能少地出現(xiàn)姿態(tài)與舵角振蕩。由于試驗(yàn)期間任何形式的姿態(tài)波動或操舵行為都將影響無人艇的航速及螺旋槳噪聲，因此推進(jìn)器性能試驗(yàn)對控制系統(tǒng)的航行控制能力要求頗高。

圖 6 試驗(yàn)水域與航線示意圖Fig. 6 Schematic diagram of test lake and routing

圖7～圖9為保障推進(jìn)器性能試驗(yàn)而進(jìn)行的定深直航試驗(yàn)結(jié)果，分別給出了6，9，13 kn試驗(yàn)航速下的實(shí)際航速、航向角、深度、縱傾角、路徑跟蹤結(jié)果及橫向偏距。其中，航速圖可表現(xiàn)航行控制器的航速控制能力；航向角、路徑跟蹤結(jié)果及橫向偏距圖可表現(xiàn)航行控制器的路徑跟蹤能力；深度和縱傾角圖可表現(xiàn)航行控制器的深度控制能力。由圖可見，無人艇航速控制穩(wěn)定；航向角、深度及縱傾角的控制均存在超調(diào)和目標(biāo)值附近的小幅波動；路徑跟蹤過程中，無人艇跟隨目標(biāo)航線左右游走。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：無人艇控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的航行控制算法下，具備對無人艇的位姿調(diào)節(jié)能力，能夠平滑穩(wěn)定地控制無人艇趨近目標(biāo)航線及深度，并以穩(wěn)定的航速完成定深直航任務(wù)，滿足推進(jìn)器性能試驗(yàn)對位姿控制精度的要求。此外，航速、深度和路徑跟蹤控制在整個(gè)試驗(yàn)段表現(xiàn)穩(wěn)定，體現(xiàn)出航行控制算法的魯棒性。盡管航行控制算法的性能滿足試驗(yàn)要求，但航向和深度的波動原因值得深入分析。首先，受限的操舵頻率使得航行控制的難度增加，其次，方向舵?zhèn)鲃友b置中約2°的機(jī)械間隙影響了航向控制，無人艇的剩余浮力則影響了深度控制。以上因素導(dǎo)致了航行器在航行過程中的航向角和深度波動。然而，控制系統(tǒng)已盡可能地將以上不利因素對位姿控制精度的影響減輕到合理范圍。

表3為試驗(yàn)情況定量分析結(jié)果，可見大尺度高速水下無人艇的航向控制偏差小于2°，深度控制偏差小于0.2 m，控制效果良好，滿足了推進(jìn)器性能試驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)要求。

圖 7 6 kn速度下定深直航試驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 Test results of depth keeping in direct navigation at 6 kn

圖 8 9 kn航速下定深直航試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Test results of depth keeping in direct navigation at 9 kn

圖 9 13 kn航速下定深直航試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 Test results of depth keeping in direct navigation at 13 kn

表 3 航行試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis results of navigation test

5 結(jié) 語

本文所述大尺度高速水下無人艇是為了開展?jié)撏Р倏v性、快速性、隱身性等試驗(yàn)而研制的一種特殊的無人水下航行器，在分析無人艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等硬件配置的基礎(chǔ)上，提出了一套以水下主控單元為核心，并按功能配備導(dǎo)航單元、運(yùn)動規(guī)劃與控制單元、動力單元、基礎(chǔ)控制單元、應(yīng)急單元及水下數(shù)據(jù)存儲單元的控制系統(tǒng)架構(gòu)。面向無人艇作為綜合試驗(yàn)平臺的任務(wù)需求，本文設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)制導(dǎo)方法，以使無人艇在所有試驗(yàn)航速下均能平滑地完成三維路徑跟蹤任務(wù)。考慮到無人艇慣性大、航速高的特點(diǎn)，本文基于積分分離思想分別設(shè)計(jì)了航速、航向、深度及縱傾角PID控制器，指令和狀態(tài)濾波器的引入則避免了無人艇在高速運(yùn)動時(shí)因指令突變引發(fā)的輸出飽和、大幅超調(diào)甚至振蕩現(xiàn)象，從而改善了無人艇的動態(tài)響應(yīng)特性。湖試結(jié)果表明，無人艇航行控制算法具備對無人艇的位姿控制能力，其表現(xiàn)穩(wěn)定并具有魯棒性，對新一代無人試驗(yàn)艇運(yùn)動控制技術(shù)的研究有一定的參考意義。