水下自主航行器(AUV)建模仿真研究

1.引言

水下自主航行體是一種重要的用于水下勘探的機器人，同時也是用于檢測的精密儀器。其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋：科學(xué)研究（海洋學(xué)、地理學(xué)、地球物理學(xué)等），環(huán)境保護（廢棄垃圾處理監(jiān)控，沼澤濕地監(jiān)測等），商業(yè)（石油與天然氣勘查，海底管道鋪設(shè)，港口監(jiān)控等）和軍事（水雷戰(zhàn)，戰(zhàn)場情報收集，智能武器等）。隨著其水下應(yīng)用的不斷增多，AUV的開發(fā)需求越來越強烈。但是水下航行體的動力學(xué)是一個高度非線性的且各自由度之間是相互耦合的。本文介紹了水下自動航行體的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。AUV的仿真和運動方程的解算是系統(tǒng)設(shè)計與控制的基礎(chǔ)，因此首先需要分析航行體在水下航行時受到的所有外力和力矩。其次要對各種力和力矩（慣性力，靜水力，流體力，超重，推進力以及環(huán)境的影響等）的作用效果加以推導(dǎo)計算，最后求出各方程在特定條件下的數(shù)值解。由于動態(tài)仿真能在不擴展現(xiàn)有模型的前提下對給定系統(tǒng)的性能離線做出較為準(zhǔn)確的評估，因此動態(tài)仿真已經(jīng)成為AUV開發(fā)的強大工具。本軟件用MATLAB SIMULINK和C++語言編寫而成，并且利用三維圖形界面顯示實時數(shù)據(jù)。

2.AUV模型

水下航行體一般可認為是具有六自由度的剛體，其平動和轉(zhuǎn)動方程可以依據(jù)牛頓定律建立。其六種不同的運動形式分別定義為：前后，左右，上下，橫滾，俯仰，偏航。

要對航行體的物理行為進行分析，首先必須建立合適的坐標(biāo)系。為此必須理解世界坐標(biāo)系和艇體坐標(biāo)系這兩種坐標(biāo)體系及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。文中的動力學(xué)運動方程均建立在艇體坐標(biāo)系下，如圖1所示。

3.AUV運動方程

描述AUV運動特征的方程]如下：

作用在水下航行體的所有外力和力矩主要劃分為以下6類：(1)靜水力和力矩；(2)超重慣性力和力矩；(3)流體動力和力矩；(4)操舵力和力矩；(5)推進力和力矩；(6)環(huán)境作用力。

靜水力由重力和浮力構(gòu)成，它們均是方位的函數(shù)且與航行體的運動狀態(tài)無關(guān)。粘滯力是關(guān)于運動速度的函數(shù)，而艇體的超重效果則主要與加速度有關(guān)。流體力是作用于艇體壓力中心的包含牽引力和拖曳力。壓力中心是攻角的函數(shù)，當(dāng)攻角增大時壓力中心的位置會偏移。因此搞清楚壓力中心的變化對航行體運動的影響就顯得十分重要。航行體的航行姿態(tài)由水平舵和垂直舵控制。推進力提供動力Xprop和艇體坐標(biāo)系下繞X軸的動力矩Kprop表示。環(huán)境的影響主要考慮水下的涌流。仿真的過程中，可以改變方程各參量的值，對航行體的運動可以實時監(jiān)控。

4.仿真

仿真器由輸入、計算和輸出3部分構(gòu)成。在輸入部分，用戶可以設(shè)定航行體的各種參數(shù)，如航行體的幾何形狀尺寸、質(zhì)量、流體力學(xué)參數(shù)等。計算部分由AUV的六自由度動力學(xué)模型構(gòu)成，模型仿真利用MATLAB SIMULINK編程實現(xiàn)。工具包由以下五個子系統(tǒng)構(gòu)成：(1)推進力和力矩計算子系統(tǒng)；(2)靜水力和力矩計算子系統(tǒng)；(3)流體動力和力矩計算子系統(tǒng)；(4)操舵力和力矩計算子系統(tǒng)；(5)環(huán)境影響(水下涌流)子系統(tǒng)。

動力學(xué)子系統(tǒng)負責(zé)求解各運動方程，求解時考慮了作用于艇體的外力和力矩以及航行體的運動學(xué)。通過求解得出航行體在艇體坐標(biāo)系下的加速度、線速度和角速度。航行體在慣性坐標(biāo)系的位置則通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)計算得出。

對動力學(xué)運動方程積分可以得出航行體下一時刻的速度值。結(jié)合航行體在艇體坐標(biāo)系下的最新速度與艇體移動的運動方程可以推導(dǎo)出其在世界坐標(biāo)系下的速度。對航行體在世界坐標(biāo)系下的速度積分并考慮洋流的影響就可以獲得航行體的位置。

輸出部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的文件保存、二維或三維圖形顯示、以及航行體機動情況的三維視景顯示，如圖2所示。

將控制子系統(tǒng)內(nèi)置于工具包中使我們能使用各種類型的控制器進行仿真模擬，如滑模型控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、QFT方法等。

5.實例

圖1 AUV坐標(biāo)系示意圖

圖2 仿真環(huán)境中AUV的三維視景圖

圖3 REMUS航行體的仿真軌跡

為了說明軟件包的性能，我們選取一個名為REMUS的AUV作為實例進行仿真[7]。將該AUV的已知參數(shù)輸入，就可以對AUV的行為進行仿真，并將仿真結(jié)果與文獻[7]中的實驗結(jié)果進行對照比較。在以下各圖形中可以看到REMUS的機動情況。圖3顯示了航行體方向舵偏角漸變對其運動的影響，其中仿真開始的最初10s內(nèi)水平舵設(shè)為零度，隨后的25s內(nèi)航行體方向舵轉(zhuǎn)為正4度，再后30s內(nèi)方向舵轉(zhuǎn)為負4度。

6.結(jié)論

利用本文討論的航行體剛體動力學(xué)模型，通過改變航行體的方向舵，艉部水平舵和發(fā)動機功率等參數(shù)值可以產(chǎn)生航行體的開環(huán)行為結(jié)果。所開發(fā)的軟件不僅可用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為控制策略的最優(yōu)設(shè)計，還可以作為已設(shè)計完成系統(tǒng)的試驗臺。

[1]Fossen T.I,“Guidance and Control of Ocean Vehicles”,John Wiley & Sons,1994.

[2]Loueipour M,Narimani M,”Dynamic Modelingand simulation of Remotely Operated Vehicles”,UDT Conference,2006.

[3]Loeipour M.,“Dynamic of underwater vehicles”,sub sea R&D research centre,Isfahan University of Technology,Isfahan,Iran,2001.

[4]Loeipour M.,“Design of Control System for ROV based on QFT Method”,M.S Thesis,1997.

[5]Tabesh A,Narimani M“Design of control system for a ROV”,Sub sea R&D centre,Isfahan University of Technology,1999.

[6]Narimani M,Loeipour M,“Positioning Control of Remotely Operated Vehicle”,UDT Conference,2006.

[7]Prestero T,“Development of Six-DOF simulated model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle”,A dissertation at University of California.