AUV水下對(duì)接控制方法

羊云石，顧海東，程 燁

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

AUV水下對(duì)接控制方法

羊云石，顧海東，程 燁

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

針對(duì)AUV水下對(duì)接系統(tǒng)的需求，研究了AUV對(duì)接航行中的控制方法。將導(dǎo)引和控制過程分為追蹤回歸和直線對(duì)接2個(gè)階段。通過仿真計(jì)算研究，驗(yàn)證了控制策略和算法的可行性。

AUV；水下對(duì)接；對(duì)接導(dǎo)引；橫向跟蹤

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自主水下航行器(AUV)作為探索海洋空間的有力工具之一，在軍事和科學(xué)研究方面起著越來越重要的作用。未來的AUV需要更長的水下工作時(shí)間、更大的自主性、更隱蔽的情報(bào)收集能力、更高速的數(shù)據(jù)分析速度以及更強(qiáng)大的通信能力。而這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要受到AUV自身攜帶能源和水下通信2個(gè)因素的限制。因此，AUV水下對(duì)接技術(shù)作為一種為其提供能源補(bǔ)充與信息交換的補(bǔ)給支持系統(tǒng)就顯得十分必要。

美國Woods Hole海洋研究所和MIT海洋實(shí)驗(yàn)室共同研制的Odyeesy ΠB AUV水下對(duì)接系統(tǒng)使用超短基線的引導(dǎo)AUV駛向?qū)友b置，然后依靠前進(jìn)沖量實(shí)現(xiàn)頭部V型捕捉裝置與垂直桿的對(duì)接[1]。Woods Hole海洋研究所研制的REMUS水下對(duì)接系統(tǒng)由圓柱型塢站和錐形引導(dǎo)口組成，也采用超短基線引導(dǎo)AUV回歸[2]。MBARI研究所為Bluefin AUV開發(fā)的水下對(duì)接系統(tǒng)基本與REMUS對(duì)接裝置相似，將AUV對(duì)接航行控制分為視線追蹤(pure pursuit)和橫向跟蹤(cross-track)2個(gè)階段，并于2005年和2006年進(jìn)行了海上對(duì)接試驗(yàn)[3]。

本文基于AUV水下對(duì)接系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)，通過建立AUV水動(dòng)力模型，采用追蹤回歸和直線對(duì)接2個(gè)階段的控制方式進(jìn)行AUV對(duì)接航行仿真，驗(yàn)證了控制方法的有效性。并在此基礎(chǔ)上考慮了工程實(shí)現(xiàn)中的諸多因素(如傳感器精度、海流、接駁站布放方向等)。

1 AUV水下對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AUV水下對(duì)接系統(tǒng)的組成如圖1所示，由AUV、海底接駁站和超短基線組成。當(dāng)AUV電池即將耗盡或需要上傳數(shù)據(jù)時(shí)，將自動(dòng)回歸至海底接駁站附近(AUV已知海底接駁站的大致坐標(biāo)和朝向)。隨后，AUV通過超短基線與海底接駁站進(jìn)行應(yīng)答定位，并不斷修正航向靠近海底接駁站的對(duì)接口，最終依靠自身動(dòng)力進(jìn)入接駁管內(nèi)。

圖1 AUV水下對(duì)接系統(tǒng)組成Fig.1 System of the dock

本文參考文獻(xiàn)[3]中Bluefin AUV 的對(duì)接策略，將AUV水下對(duì)接過程分為追蹤回歸和直線對(duì)接2個(gè)階段，如圖2所示。

1)追蹤回歸階段。AUV進(jìn)入超短基線的作用范圍后，基于水聲定位信息并采用視線追蹤的控制方式調(diào)整AUV航向，使其向?qū)泳臀稽c(diǎn)不斷接近。對(duì)接就位點(diǎn)位于海底接駁站對(duì)接口的中心延長線上。

2)直線對(duì)接階段。AUV到達(dá)對(duì)接就位點(diǎn)后將沿著對(duì)接口中心線駛向海底接駁站，在超短基線、航向信息的綜合處理下，采用橫向跟蹤的控制方式沿海底接駁站對(duì)接口的中心延長線航行，最終進(jìn)入對(duì)接口。

2 AUV運(yùn)動(dòng)模型分析

圖2 AUV水下對(duì)接過程設(shè)計(jì)Fig.2 Homing and docking sequence

圖3 AUV外形Fig.3 Solid model of the docking AUV

通過簡化水下潛器的標(biāo)準(zhǔn)六自由度方程[4]，同時(shí)附加海流的影響，可得到AUV水平面的運(yùn)動(dòng)方程：

(u+Vc·sinφ)2+Tp=，

(1)

δR+(Yv+Ys)·u·Vc·cosφ=0，

(2)

Vc·cosφ=0，

(3)

(4)

式中：δR為舵角；Vc為海流速度；YR為舵角系數(shù)；Ys為聲吶和GPS天線等附體的水動(dòng)力系數(shù)；xs為聲吶和GPS天線等附體與AUV中心的距離；φ為AUV中軸線和海流之間的夾角；Tp為螺旋槳的恒定推進(jìn)力。

3 追蹤回歸階段控制

AUV進(jìn)入超短基線的作用范圍后，基于水聲定位信息并采用視線追蹤的控制方式調(diào)整AUV航向，使其向?qū)泳臀稽c(diǎn)P0不斷接近。對(duì)接就位點(diǎn)P0位于海底接駁站對(duì)接口的中心延長線上，如圖4所示。

圖4中，ΦU為超短基線水聲定位測得的方位數(shù)據(jù)，AUV可根據(jù)ΦU通過幾何運(yùn)算得到AUV相對(duì)于P0點(diǎn)的方位值ΦP0。Φc為AUV羅盤測得的方位數(shù)據(jù)。AUV通過比較ΦP0和Φc兩者的差值得到舵角控制量，保證AUV在前進(jìn)過程中始終朝向P0點(diǎn)。P0點(diǎn)為控制程序中設(shè)定的對(duì)接就位點(diǎn)。到達(dá)對(duì)接就位點(diǎn)后AUV將轉(zhuǎn)入下一階段。

圖4 追蹤回歸階段坐標(biāo)和變量Fig.4 Angle and reference frame definitions of pure-pursuit homing control

圖5 追蹤回歸階段閉環(huán)控制圖Fig.5 Pure-pursuit homing control loop

圖5為追蹤回歸階段的閉環(huán)控制圖，控制器采用多層PI控制，并通過內(nèi)層的羅經(jīng)反饋使得AUV的航向不過于劇烈變化。其中虛線部分表示的是AUV運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果，采用水下運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算模擬。

4 直線對(duì)接階段控制

由于海底接駁站固定方向，故AUV需要在距離接駁站幾百米處的對(duì)接就位點(diǎn)附近轉(zhuǎn)入直線航行階段。在此階段的控制中加入了橫向跟蹤誤差的控制層，以實(shí)現(xiàn)AUV沿著固定的直線路徑進(jìn)入海底接駁站的喇叭口。如圖6所示。

圖6 直線對(duì)接階段坐標(biāo)和變量Fig.6 Angle and reference frame definitions of cross-track homing control

圖7 直線對(duì)接階段閉環(huán)控制圖Fig.7 Cross-track docking control loop

圖6中，Φc為AUV羅盤測得的方位數(shù)據(jù)，ΦD為海底接駁站的對(duì)接口朝向方位(在接駁站布放時(shí)測得)，ΦU為超短基線水聲定位測得的方位數(shù)據(jù)。AUV可根據(jù)上述3個(gè)方位和測距值計(jì)算得到AUV與喇叭口中心線的橫向跟蹤誤差y。

隨著AUV與接駁站之間的距離接近，通過USBL計(jì)算得到的橫向跟蹤誤差y也會(huì)隨之減小。為了給AUV提供充足的調(diào)整時(shí)間，并且減小最終碰撞時(shí)的沖擊，將航速設(shè)定為一個(gè)較低的穩(wěn)定值(在本文的計(jì)算中AUV推進(jìn)力恒定在28N，獲得的前進(jìn)速度小于1.5m/s)。圖7為直線對(duì)接階段的閉環(huán)控制圖。

5 仿真計(jì)算

采用數(shù)值計(jì)算的方法驗(yàn)證AUV水下對(duì)接模型和兩階段控制方法。假設(shè)USBL的作用距離為1 000m，AUV的起始點(diǎn)為(0，0)，海底接駁站的坐標(biāo)點(diǎn)為(707，707)，就位點(diǎn)坐標(biāo)為(707，507)。AUV的推進(jìn)力保持在28N，USBL的信號(hào)處理時(shí)間為2s，海流的方向和大小固定不變(沿-x方向，0.5kn)。AUV模型參數(shù)采用文獻(xiàn)[5]中附錄1的數(shù)據(jù)，并假設(shè)舵角最大幅值25°，初始速度1.5m/s，初始角度0°，到達(dá)半徑20m。

在仿真計(jì)算中引入傳感器的誤差，并假設(shè)各個(gè)傳感器的誤差都服從均值為0的均勻分布，分布區(qū)間見表1。

表1 各個(gè)傳感器的誤差分布區(qū)間Tab.1 Error distribution interval of every sensor

圖8 AUV水下對(duì)接航行軌跡(接駁站朝向?yàn)?°)Fig.8 Vehicle track of AUV (with the dock heading to 0°)

圖9 直線對(duì)接階段放大圖Fig.9 Enlarged view of cross-track

從圖8的計(jì)算結(jié)果可看出，AUV先是處于追蹤回歸階段，駛向坐標(biāo)為(707，507)的就位點(diǎn)。到達(dá)就位點(diǎn)附近后，AUV轉(zhuǎn)入直線對(duì)接階段。圖9為直線對(duì)接階段的局部放大圖。從圖10和圖11可見，由于存在側(cè)向海流(0.5kn)的影響，AUV沿著對(duì)接口中心線前進(jìn)時(shí)將形成一個(gè)特定的漂角。從圖9可見AUV最終的對(duì)接精度小于1m，滿足與海底接駁站的對(duì)接要求(對(duì)接口直徑2m)。

圖10 追蹤回歸階段的航向角命令值和實(shí)際值Fig.10 Heading and le during pure-puvsuit

圖10 追蹤回歸階段的航向角命令值和實(shí)際值Fig.10 Lateral position tracking during cross-track

圖12計(jì)算了海底接駁站分別以90°和180°方向布置時(shí)AUV水下對(duì)接的航行軌跡。從圖中可見，在0.5kn海流的情況下，AUV可與不同方向的海底接駁站進(jìn)行對(duì)接。驗(yàn)證了本文兩階段導(dǎo)引控制方法的可行性。

圖12 AUV水下對(duì)接航行軌跡Fig.12 Vehicle track of AUV

6 結(jié) 語

本文基于AUV水下對(duì)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)AUV運(yùn)動(dòng)模型和對(duì)接控制方法進(jìn)行了研究。通過仿真計(jì)算，驗(yàn)證了AUV對(duì)接航行控制算法的有效性，為將來AUV與海底接駁站的對(duì)接試驗(yàn)研究提供了一定的基礎(chǔ)。

[1]HANUMANTS,JAMESG,BELLINGHAMFH,etal.Dockingforanautonomousoceansamplingnetwork[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2001,26(4):498-514.

[2]BENA,TOMA,NEDF,etal.Autonomousdockingdemon-strationswithenhancedREMUStechnology[J].OCEANS,2006:1- 6.

[3]ROBERTS.MCE,BrettW.Hobson,LanceMcBride,etal.Dockingcontrolsystemfora54-cm-Diameter(21-in)AUV[J].IEEEJournalofOceanEngineering,2008,33(4):550-562.

[4] 施生達(dá).潛艇操縱性[M].北京：國防工業(yè)出版社,1995.

[5] 嚴(yán)衛(wèi)生.魚雷航行力學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

Docking control method of autonomous underwater vehicles

YANG Yun-shi,GU Hai-dong,CHENG Ye

(The 715 Research Institute of CSIC,Hangzhou 310023,China)

To fulfill the requirements on the underwater docking system for autonomous underwater vehicles, the homing and docking control method of AUV are studied.The guidance and control strategy are divided into two stages, namely the pursuit homing stage and the center line docking stage.The numerical simulation results show the control method is suitable.

AUV; underwater docking; docking guidance; cross-track

2015-09-15；

2015-10-12

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA09A415)

羊云石(1985-)，男，工程師，從事海洋工程水動(dòng)力和水下航行器研究。

U674.941

A

1672-7649(2015)12-0144-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.030