欠驅動AUV水平面動力定位控制方法研究

唐文政，胡 測，梁 鏡

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

隨著AUV應用領域逐漸拓展，各種任務場景對其運動控制提出了更高要求。在執行抵近探測、懸停作業以及定點待命等任務時，往往需要 AUV具備自主靠近目標點并保持位置穩定的動力定位能力。國內外針對動力定位技術已開展一系列研究，并在水面船舶領域已得到較好解決[1-2]。出于對成本、質量以及推進效率等方面的考慮，AUV的運動執行機構往往被配置為欠驅動式，但是僅通過較少輸入實現六自由度運動控制，在獲得諸多優勢的同時也增加了動力定位控制器的設計難度[3]。

對于AUV動力定位問題，文獻[4]設計了滑模控制器并引入波浪擾動預測，實現軌跡跟蹤控制與定點控制，并通過仿真進行驗證；文獻[5]考慮了未知的海流干擾，提出了一種基于反演技術的自適應變結構控制方法；文獻[6]將環境最優動力定位控制（WOPC，Weather Optimal Positioning Control）的概念應用到全驅動自主水下機器人，基于神經網絡自適應反演法設計了動力定位控制器；文獻[7]提出了一種基于 Lyapunov 的模型預測控制方法，結合推力的優化策略進行動力定位控制；文獻[8]針對全驅動 AUV近水面運動中自身慣量小且環境擾動敏感的問題，提出了一種動力定位控制方法。

以上控制方法大多基于復雜的非線性控制方法，且有些僅針對全驅動配置，難以有效應用到欠驅動AUV的工程實踐中。因此，本文以自研AUV平臺為研究對象，考慮其欠驅動特性與任務內容，基于線性控制提出一種動力定位控制方法，以實現自主抵近目標點并在其附近小范圍區域保持水平位置穩定的控制效果，并結合試驗數據證明該控制方法的有效性。

1 AUV平臺運動執行機構配置

作為本文研究對象的AUV平臺，其運動執行機構包括2個垂直推進器、2個水平推進器以及1組水平舵。其中：垂直推進器位于載體重心附近沿中軸線左右分布，提供垂向推力進行低速運動下深度控制；水平推進器位于載體中后段沿中軸線左右分布，提供縱向推力與轉艏力矩進行縱向速度、縱向位置以及航向的控制，其中轉艏力矩通過左右推進器轉速差產生；1組水平舵位于水平推進器后，提供俯仰力矩進行高速運動下深度/俯仰控制。

該平臺缺少側向推進器提供側移作用力；在低速狀態下，其水平舵效率大幅降低，垂直推進器采用左右分布形式，基本不具備俯仰作用力矩；而高速狀態下，其垂直推進器效率大幅降低，基本不具備垂向作用力。根據以上運動執行機構配置的分析，可判斷該AUV平臺屬于欠驅動系統。

2 動力定位控制

在完成抵近探測、懸停作業以及定點待命等任務內容的過程中，往往需要AUV平臺能夠沿著預設路徑自主抵近目標點，并最終在該點附近小范圍區域保持位置穩定。考慮上述任務場景需求，設計動力定位控制分為路徑跟蹤與區域鎮定2個階段。

以任務目標點為圓心，在指定半徑范圍內設置為抵近區域，該區域邊界作為路徑跟蹤與區域鎮定2個控制階段的分界線。其內部進一步設置較小半徑范圍內為定位區域，AUV最終將在該區域內保持位置實現懸停，如圖1所示。按照時間順序，啟動任務后 AUV首先進入路徑跟蹤階段，沿預設路徑向目標點快速靠近；進入抵近區域后 AUV切換到區域鎮定階段，降低轉速進一步抵近目標點，進入定位區域后保持水平位置穩定，若檢測受到干擾偏離定位區域則自主返回，從而實現從起始點出發沿預設路徑抵達目標點并保持位置的動力定位控制。

圖1 動力定位控制示意圖Fig. 1 Schematic diagram of dynamic positioning control

2.1 路徑跟蹤階段

在路徑跟蹤階段，控制器根據預設路徑與實時導航信息，計算水平推進器轉速指令值，發送至執行機構產生縱向推力與轉艏力矩，控制AUV沿著預設路徑進入抵近區域。預設路徑通常為一系列路徑點構成的分段直線，因此具體方法采用路徑點跟蹤控制。路徑起始點與載體當前點的水平面位置坐標在WGS-84坐標系下，轉換到ENU坐標系為

式中：（lo n, lat）為轉換點經緯度坐標；（lo n0, lat0）為基準點經緯度坐標；R為地球基準橢球體長半徑。

在工程應用中，實際平臺往往具有一定程度的左右結構以及推力不對稱性，并且欠驅動AUV無法在側流干擾時通過側向推力直接平衡干擾力，從而對路徑點跟蹤控制精度產生影響。因此，在常規的“視線法”制導方式基礎上，將路徑偏移量引入控制回路，如圖2所示。

圖2 路徑跟蹤控制示意圖Fig. 2 Schematic diagram of path tracking control

式中：nL與nR分別為左右推進器轉速指令值；n0為該航段設置的基礎轉速值。

2.2 區域鎮定階段

鑒于研究對象的欠驅動特性，區域鎮定階段需結合縱向位置控制與航向控制實現水平位置控制。根據式（8）的運動執行機構動力分配，水平推進器轉速指令值由基礎轉速值與轉速增量值 2部分構成，區域鎮定階段的基礎轉速值為

式中：keP為縱向位置控制系數；d為縱向位置偏差。

航向控制以視線角作為目標航向角，可根據式（2）得出，再計算轉速增量值為

式中， kPφ2與 kDφ2為航向控制系數。

AUV抵達定位區域后進入懸停狀態，根據導航信息監視位置偏差，通過運動執行機構保持水平位置，其中位置控制偏差為

3 實驗結果分析

3.1 仿真實驗

對于缺乏側向機動能力的欠驅動AUV平臺，區域鎮定階段的水平位置控制是整個動力定位過程的關鍵，因此首先在MATLAB環境下進行水平位置控制仿真實驗。ENU坐標系下，取目標點為基準點(0,0)，設置航行器初始航速與航向為0，初始位置為(-3 0,-3 0)，仿真時間為1 000 s，定位區域為以目標點為圓心的2 m半徑內區域。

仿真試驗效果圖如圖3-4所示，航行器啟動后逐漸調整航向靠近目標點，首次抵達后由于慣性出現小量超調，通過調整逐漸穩定在定位區域內，位置偏差小于2 m。

圖3 仿真實驗航行軌跡圖Fig. 3 Trajectory graph of simulation

圖4 仿真實驗位置偏差曲線圖Fig. 4 Position deviation graph of simulation test

3.2 現場實驗

采用自研欠驅動AUV平臺，通過湖上實驗對整個動力定位控制流程進行驗證。設置目標點附近2 m半徑內區域為定位區域，在距離其150 m處選取起始點，預設航路包含長度分別約60 m與100 m兩個直線航段。

整個動力定位過程持續 300 s，AUV航行軌跡與推進器轉速如圖 5所示，啟動任務后航行器首先進入路徑跟蹤階段，沿預設航路靠近目標點，在138 s進入抵近區域后切換為區域鎮定階段，以較低轉速進一步靠近目標點，最終穩定在定位區域。

圖5 動力定位實驗航行軌跡圖Fig. 5 Trajectory graph of dynamic positioning test

在路徑跟蹤階段中，AUV基礎轉速值設置為800 r/min，在41 s抵達中轉點的有效判定區域，切換至第2航段開始轉彎，進入抵近區域后結束路徑點跟蹤控制，路徑偏移量在1 m內，如圖6所示。

圖6 路徑跟蹤階段偏航距曲線圖Fig. 6 Drift distance graph in path tracking positioning test

隨后AUV進入持續162 s的區域鎮定階段，逐漸低速抵近目標點，10 s后首次進入定位區域并繼續調整，保持水平位置偏差在 2 m內。以目標點為基準點(0,0)，階段切換時刻為時間軸起點，該階段航行軌跡與位置偏差分別如圖7-8所示。

圖7 區域鎮定階段航行軌跡圖Fig. 7 Trajectory graph in zone stabilization

圖8 區域鎮定階段位置偏差曲線圖Fig. 8 Position deviation graph in zone stabilization

為驗證區域鎮定階段AUV具備在干擾后的水平位置恢復能力，對航行器施加外部作用使位置偏離，該過程軌跡與推進器轉速如圖9。在32 s時位置誤差達到6.1 m，此時解除干擾，航行器逐漸返回定位區域，由于慣性出現小幅度超調，經過調整后位置偏差重新控制在2 m內，如圖10所示。

圖9 外力干擾下航行軌跡圖Fig. 9 Trajectory graph under external force disturbance

圖10 外力干擾下位置偏差曲線圖Fig. 10 Position deviation graph under external force disturbance

4 結束語

本文以AUV為研究對象，從實際工程應用角度出發，結合常規任務場景對動力定位功能的需求，針對欠驅動式運動執行機構配置，基于線性控制提出一種水平面動力定位控制方法。

根據作業流程，設置路徑跟蹤與區域鎮定2個控制階段；針對預設路徑的常用設置方式選擇路徑點跟蹤控制方法，在“視線法”控制回路中引入路徑偏移量，以降低加工誤差與環境干擾等帶來的路徑控制偏差；結合縱向位置控制與航向控制，進行無側向推力的水平面位置控制。

最終通過仿真與現場試驗，證明AUV能夠沿預設路徑自主抵近目標點，并保持在該點附近2 m范圍內區域，從而驗證該動力定位控制方法的可行性，為欠驅動AUV順利完成抵近探測、懸停作業與定點待命等任務奠定基礎。