(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 無(wú)錫 214082)
伴隨全球經(jīng)濟(jì)、科研活動(dòng)的加劇,地球的陸地資源正在銳減,有朝一日終將挖掘殆盡。地球表面60%以上是海洋,海洋中蘊(yùn)藏著比陸地更豐富的自然資源。因此加速發(fā)展我國(guó)海洋高新技術(shù),特別是對(duì)深海探測(cè)、運(yùn)載與作業(yè)裝備的研發(fā),使我國(guó)的崛起在能源、資源、國(guó)土安全等諸多方面有所保障,確保我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義[1]。
海洋資源的勘探和開發(fā)離不開水下機(jī)器人,依據(jù)其控制方式可分為有纜遙控水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)和無(wú)纜自治水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)兩個(gè)大類。ROV 依靠臍帶纜接收來(lái)自水面提供的動(dòng)力等,其特點(diǎn)是輕便、簡(jiǎn)單、可靠、作業(yè)能力強(qiáng),技術(shù)復(fù)雜程度相對(duì)簡(jiǎn)單。但是,ROV 依靠臍帶纜的同時(shí),也受制于臍帶纜。被不明物體刮碰、纏繞而造成的惡性事故在ROV 實(shí)際使用時(shí)頻頻發(fā)生。針對(duì)ROV 不足而研制的AUV,取消了臍帶纜,依靠自備電源航行,活動(dòng)范圍將不受限制,不需要復(fù)雜的水面支持系統(tǒng),可以潛得更深。但是AUV 需要智能控制體系,配置導(dǎo)航定位系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)、目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)等,AUV 對(duì)所使用的技術(shù)提出了更高、更復(fù)雜的要求[2~3]。
介于ROV 和AUV 之間的是混合型水下機(jī)器人,日本海洋科學(xué)與技術(shù)中心(JAMSTEC)研制的UROV7K[4]、美國(guó)研發(fā)了“海神”號(hào)(Nereus)HROV[5]均屬于此類型。我國(guó)科研人員從集ROV與AUV 兩者優(yōu)點(diǎn)于一體的思路開展研究,中國(guó)船舶科學(xué)研究中心提出了遙控自治水下機(jī)器人(Autonomous &Remotely-operated Vehicle,ARV)的研制方案,自主研制出了“海箏Ⅱ型”ARV。它具有自主、遙控、監(jiān)控三種模式供復(fù)雜環(huán)境下適時(shí)選用,自帶能源并通過(guò)光纖與母船聯(lián)系,可以在中等范圍內(nèi)進(jìn)行搜索、定點(diǎn)觀測(cè)及水下輕度作業(yè)[6]。
“海箏Ⅱ型”ARV 表面布置復(fù)合材料輕外殼,單體為扁平式流線型外形,如圖1所示。
“海箏Ⅱ型”ARV最大工作深度可達(dá)300m,最大航速為3節(jié)。自帶鋰電池,能在水下工作6h,巡航里程達(dá)10km。主尺度為:1.2m*0.5m*0.25m。
水下機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的強(qiáng)非線性系統(tǒng),在水下工作時(shí)不可避免地會(huì)受到各種力、力矩的綜合作用。建立“海箏Ⅱ型”ARV 的水下運(yùn)動(dòng)模型就是抽象出其工作時(shí)的動(dòng)力學(xué)力學(xué)模型,并借助于該模型對(duì)“海箏Ⅱ型”ARV 實(shí)施精確控制。因此,一組由動(dòng)力學(xué)力學(xué)模型所描述的水下機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)方程,對(duì)研究水下機(jī)器人控制問(wèn)題非常重要。為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化,作如下假設(shè):如果水下機(jī)器人在航行過(guò)程中只改變航向,不改變深度,則其重心只在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng);如果只改變深度,不改變航向,則其重心只在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。作以上假設(shè)后,水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)速度就可以視為水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)矢量合成,兩種運(yùn)動(dòng)之間的耦合影響可以忽略不計(jì)?,F(xiàn)作如下討論:
1)水平面運(yùn)動(dòng)討論
艏向控制方程轉(zhuǎn)化為
其中,、Iz為水下機(jī)器人的質(zhì)量m對(duì)Oz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,、MTz為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
2)垂直面運(yùn)動(dòng)討論
在不考慮縱傾角控制的情況下,深度方向上的方程為
其中,m為水下機(jī)器人的質(zhì)量,z為深度方向上的位移,Tz為垂向推力。
考慮到“海箏Ⅱ型”ARV 的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)時(shí)變性,以及環(huán)境的不確定性,采用PID 控制與模糊控制相結(jié)合的控制方法。即在常規(guī)PID 控制器的基礎(chǔ)上,利用模糊邏輯推理方法,在線整定PID控制器參數(shù),使控制系統(tǒng)既具有PID 控制精度高的優(yōu)點(diǎn),又具有模糊控制適用性強(qiáng)和魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)[7~8]。
“海箏Ⅱ型”ARV 的自動(dòng)控制中包括了定向控制和定深控制。在忽略水平面和垂直面耦合的影響下,分別設(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)的模糊PID 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的自動(dòng)定深控制和自動(dòng)定向控制。這種設(shè)計(jì)方法既保證了控制器的設(shè)計(jì)精度,又降低了控制器的設(shè)計(jì)難度。
ARV 用于艏向控制的傳感器為光纖陀螺,用于垂向控制的傳感器是壓力傳感器。在控制過(guò)程中,將輸入偏差和偏差變化率作為控制器的兩個(gè)輸入,用e、表示,經(jīng)由模糊邏輯推理器處理,得到PID 控制器三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量,從而實(shí)時(shí)地修正控制器參數(shù)。而得到電機(jī)所需的控制量能控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)ARV 的自動(dòng)定深和定向。其原理圖如圖2所示[9]。
圖2 定深和定向控制的模糊-PID 控制原理圖
圖中,r、y分別為給定輸入和輸出;e、分別為誤差和誤差的變化;KP、KI、KD分別為用于整定PID 控制器的模糊控制輸出,它們分別調(diào)整PID 控制器的比例、積分和微分系數(shù)。
模糊PID 控制器設(shè)計(jì)的核心是建立適用的ΔKP、ΔKI、ΔKD模糊查詢表,用于PID 三個(gè)控制參數(shù)KP、KI、KD的在線調(diào)整。
1)設(shè)定輸入、輸出量的基本論域。
2)設(shè)定e、和ΔKP、ΔKI、ΔKD的離散論域,且分別對(duì)應(yīng)七個(gè)模糊集合。
3)選擇e和的隸屬度函數(shù)為高斯分布,其中σ取1.184;選擇ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)為對(duì)稱的三角形函數(shù)。進(jìn)而可得,e、和ΔKP、ΔKI、ΔKD對(duì)各個(gè)模糊集合的隸屬度值。
4)根據(jù)“海箏Ⅱ型”ARV 的控制特點(diǎn),結(jié)合工程技術(shù)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和專家建議,歸納出參數(shù)ΔKP、ΔKI、ΔKD的自整定相關(guān)規(guī)則,得到三個(gè)參數(shù)的模糊控制規(guī)則表。
5)模糊推理采用強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法,推理過(guò)程有以下三步:
(1)計(jì)算前件語(yǔ)言變量的強(qiáng)度
設(shè)輸入變量e=α,=β,其中α、β為精確量。從隸屬度函數(shù)中可以看出α、β分別對(duì)應(yīng)幾個(gè)語(yǔ)言變量,假設(shè)α、β分別對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量為A1、A2 和B1、B2,則隸屬度值表示為:μA1(α),μA2(α),μB1(β)和μB2(β)。每一條控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為
(2)計(jì)算后件結(jié)果
在每條模糊規(guī)則中,把精確量(α、β)對(duì)前件(A1、A2和B1、B2)的作用強(qiáng)度加到后件(控制量u)上,然后計(jì)算對(duì)后件模糊量的隸屬度。設(shè)后件u對(duì)應(yīng)的模糊集合為Ci,模糊規(guī)則的推理結(jié)果為:控制量隸屬度函數(shù)中隸屬于模糊集合Ci且隸屬度為ωi的對(duì)應(yīng)值xi,見式:ωi=μCi(xi),i=1,2,3,4。
(3)反模糊化
從輸入量的精確值α、β和相關(guān)的模糊規(guī)則中,可以得到每條規(guī)則對(duì)應(yīng)的推理結(jié)果x1、x2、x3、x4,最后用重心法計(jì)算控制量的精確值,見下式:
由ΔKP、ΔKI和ΔKD的控制規(guī)則運(yùn)算可以得到參數(shù)的模糊查詢表,系統(tǒng)根據(jù)某時(shí)刻的采樣值,經(jīng)過(guò)模糊化后查詢模糊查詢表,直接得出輸出控制量的量化值。PID 控制器三個(gè)參數(shù)的模糊查詢表如表1~表3所示。
表1 ΔKP 的模糊查詢表
表2 ΔKI 的模糊查詢表
表3 ΔKD 的模糊查詢表
圖3 ARV 定深控制的仿真模型
6)按下式計(jì)算出PID 控制器的各個(gè)參數(shù):
其中,a、b、c為參數(shù)調(diào)整因子。實(shí)驗(yàn)過(guò)程取a=0.12,b=0.05,c=0.01。
在Matlab/Simulink 軟件中建立“海箏Ⅱ型”ARV 的定深和定向控制的仿真模型。ARV 定深控制的傳遞函數(shù)G(s)=,PID 控制器控制參數(shù)的初始值分別為:Kp0=3.428,Ki0=0.513,Kd0=3.172。
采樣周期為50ms,預(yù)定下潛深度為5m,ARV初始深度為0m,得到傳統(tǒng)PID 控制器和模糊PID控制器的深度響應(yīng)曲線,如圖4和圖5所示。
艏向控制的仿真模型與深度控制的類似,也是由模糊PID 控制器組成,艏向控制的傳遞函數(shù)為PID 控制器控制參數(shù)的初始值分別為:Kp0=10.76,Ki0=0.476,Kd0=1.864。
圖4 模糊PID 控制器的定深控制仿真曲線
圖5 傳統(tǒng)PID 控制器的定深控制仿真曲線
圖6 模糊PID 控制器的艏向控制仿真曲線
圖7 傳統(tǒng)PID 控制器的艏向控制仿真曲線
采樣周期為50ms,預(yù)定艏向角為180°,ARV初始角度為0°,得到傳統(tǒng)PID 控制器和模糊PID控制器的艏向角響應(yīng)曲線,如圖6和圖7所示。
通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),模糊PID 控制器比傳統(tǒng)的PID 控制器具有更小的超調(diào)量,而且響應(yīng)速度更快,對(duì)水下機(jī)器人這樣的非線性系統(tǒng)有很好的控制,符合深度方向的控制要求。
1)水池試驗(yàn)
對(duì)“海箏Ⅱ型”ARV 進(jìn)行了水池試驗(yàn),主要是驗(yàn)證水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制性能。從圖8~圖10中可以看出,該型ARV 在定深控制和定向控制中有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。
圖8 模糊PID 控制器的定深曲線圖
圖9 模糊PID 控制器的定向曲線圖
圖10 ARV 湖上試驗(yàn)任務(wù)剖面
2)千島湖試驗(yàn)
在通過(guò)水池驗(yàn)收后,ARV 在浙江千島湖進(jìn)一步開展了功能考核試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明,模糊PID控制方法能有效地實(shí)現(xiàn)ARV 的自動(dòng)定深和自動(dòng)定向功能。其水下調(diào)查典型的任務(wù)剖面如下[10],最大下潛深度58m。ARV 將下潛到達(dá)湖底附近,離底高度1m~2m 附近進(jìn)行低速航行,觀察湖底情況,拍攝大量湖底照片。
3)水下平臺(tái)對(duì)接試驗(yàn)
此外,ARV 還在某大型露天水池進(jìn)行了水下對(duì)接試驗(yàn)。在試驗(yàn)期間,ARV 通過(guò)了自動(dòng)定深和自動(dòng)定向的功能考核,先后在水下平臺(tái)坐底和懸停兩種工況下完成16次布放回收試驗(yàn),成功13次,成功率高達(dá)81%。從布放出艇、水面機(jī)動(dòng)到回收成功用時(shí)平均僅為18分鐘。
本文介紹的“海箏Ⅱ型”遙控自治機(jī)器人,采用單體扁平式流線型外形,具有機(jī)動(dòng)靈活、高效安全的優(yōu)勢(shì)?;谀:壿嫷腜ID 控制器,可以實(shí)現(xiàn)“海箏Ⅱ型”ARV 的運(yùn)動(dòng)精確控制。ARV 的研究正為11000m 全海深水下機(jī)器人研制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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