基于專家S面控制的UUV姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃悅?cè)A　劉瑞勇　楊培培　李　闖　向東旭

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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基于專家S面控制的UUV姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃悅?cè)A劉瑞勇楊培培李闖向東旭

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：近年來，長航程UUV的應(yīng)用越來越多，長航程UUV在水下進(jìn)行長距離航行時(shí)，由于不同水域的海水密度不同，使得UUV的受力狀況發(fā)生變化，從而影響其航行姿態(tài)角，使其不能按照預(yù)定的路徑完成航行任務(wù)，甚至發(fā)生危險(xiǎn)．本文針對姿態(tài)變化問題，將專家控制和S面控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種專家S面控制器，并進(jìn)行半實(shí)物仿真．仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)對UUV實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定深定向調(diào)節(jié)，滿足實(shí)際使用要求．

關(guān)鍵詞：UUV；整體構(gòu)架；專家S面控制；定深定向；半實(shí)物仿真

UUV惡劣的工作環(huán)境決定了其可能會(huì)遇到各種可控或不可控的危險(xiǎn)，如果UUV沒有性能良好的控制系統(tǒng)，極有可能會(huì)導(dǎo)致水下機(jī)器人失事或失聯(lián)[1]，最終沉入海底或者被他國所竊?。诖耍鎸?fù)雜的海域工作環(huán)境，如何研究有效且可靠的UUV控制系統(tǒng)，成為裝備高質(zhì)量UUV設(shè)備的重要課題．

1UUV整體構(gòu)架

綜合控制系統(tǒng)是整個(gè)UUV的核心組成部分，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)UUV的性能以及航行的安全性．該課題中UUV的航行分為自主航行和遙控模式兩種航行方式，其中自主航行由中央控制單元自主決策控制航行，遙控模式下的航行是通過上位機(jī)以無線電或者有攬通信的方式與實(shí)驗(yàn)艇通信；自主航行模式下，通過慣導(dǎo)(INS)、深度計(jì)、多普勒測速儀(DVL)等傳感器獲取UUV的運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)這些信息做出控制決策，來完成自主航行任務(wù)．本課題設(shè)計(jì)的UUV綜合控制系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示．

圖1　UUV控制系統(tǒng)整體構(gòu)架

此UUV具有如下功能：

1)通過操控臺可對UUV進(jìn)行操控，包括對各個(gè)模塊的電源控制、對UUV進(jìn)行手操駕駛、預(yù)編程操控、定向航行、定深航行控制．

2)UUV實(shí)時(shí)信息可以實(shí)時(shí)反饋給操控臺．包括UUV電池組的測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的電流、電壓、已用電量，實(shí)驗(yàn)艇的實(shí)時(shí)姿態(tài)：橫滾角、俯仰角、偏航角、航行速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)位置、深度，離底高度，各個(gè)閥門開關(guān)狀態(tài)、各個(gè)水艙水量、以及艙內(nèi)實(shí)時(shí)圖像等．這些數(shù)據(jù)通過兩路信道傳輸，為保證航行安全，主要考慮無線電通信的順暢[2]．

3)對UUV運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括7個(gè)艙的漏水檢測、溫度檢測、氫氣濃度檢測、火警檢測；控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以推進(jìn)電機(jī)電流和電壓監(jiān)測以及超深、超速、無線電通信等各種報(bào)警檢測，并具備在運(yùn)行故障(主要指超深)情況下通過釋放壓載確保實(shí)驗(yàn)艇的安全．

4)通過給定推電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者航速(一般而言，轉(zhuǎn)速和航速對應(yīng)有一定的關(guān)系)可以控制UUV的前進(jìn)，通過給定水平舵機(jī)、垂直舵機(jī)和圍殼舵機(jī)一定角度來控制UUV轉(zhuǎn)向和下潛運(yùn)動(dòng)，通過壓載水艙注排水及左右浮力水艙調(diào)水可以控制艇的橫滾、俯仰等艇態(tài)和負(fù)浮力的設(shè)定，以在水面環(huán)境不利于水平舵機(jī)發(fā)揮舵效的時(shí)候輔助UUV順利下潛．

5)對UUV位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并具有導(dǎo)航定位功能．UUV在水面標(biāo)定時(shí)完成GPS的信息的收集，并將該信息給到慣性導(dǎo)航裝置，當(dāng)實(shí)驗(yàn)艇下潛到水下時(shí)，由慣性導(dǎo)航裝置和多普勒計(jì)程儀計(jì)算出當(dāng)前的航行位置，當(dāng)實(shí)驗(yàn)艇浮出水面時(shí)，通過操控臺給定校準(zhǔn)指令，將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)艇的位置與GPS位置進(jìn)行校準(zhǔn)．實(shí)驗(yàn)艇同時(shí)利用深度計(jì)和多普勒計(jì)程儀實(shí)時(shí)獲取UUV在水下的深度和離底高度、航行速度等信息．

6)可通過路徑規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艇的路徑跟蹤航行．

2專家S面控制器設(shè)計(jì)

2.1智能積分S面控制模型

這樣的積分作用即為智能積分．引入智能積分，能夠在模糊控制的基礎(chǔ)上提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和精度．有智能積分的條件可以得到智能積分的S面控制模型[4]，如下描述：

由S面控制模型可知，控制參數(shù)為k1、k2和ki，相比模糊控制，S面控制需要調(diào)整的變量簡單得多．改變k1、k2和ki的值就能實(shí)現(xiàn)偏差和偏差變化率在控制輸出中的比重的調(diào)整，達(dá)到對超調(diào)量和收斂速度的控制效果的優(yōu)化[5]，同時(shí)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，以滿足智能作業(yè)的要求．

在S面控制系統(tǒng)中，一般采用人工調(diào)整或者自適應(yīng)調(diào)整這兩種參數(shù)調(diào)整方式．所謂人工調(diào)整，指的是通過對k1、k2和ki大小的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人在一般情況下的運(yùn)動(dòng)控制精度．所謂自適應(yīng)調(diào)整，指的是需對k1、k2兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行智能的在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能．應(yīng)該注意的是，在參數(shù)調(diào)整的過程中，由于是全局范圍內(nèi)的參數(shù)調(diào)整，導(dǎo)致自適應(yīng)調(diào)整和人工調(diào)整都不能達(dá)到控制參數(shù)的最佳匹配．但是，S面控制方法主要關(guān)注控制過程的全局性，注重控制過程穩(wěn)定、超調(diào)小、平滑、收斂速度快等控制效果．通過對S面控制器參數(shù)的修改，能夠比較方便地完成控制器全局過程的控制．

在自適應(yīng)調(diào)整中，參數(shù)k1、k2對S面控制器的控制作用有重要影響，即這兩個(gè)參數(shù)的變化會(huì)對S面控制器的輸出產(chǎn)生大的干擾，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的變化，對于水下機(jī)器人而言，固定k1、k2的值不能達(dá)到較好的控制效果[6]．

2.2專家S面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過本章前面的闡述，可以建立一個(gè)完整的智能控制理論模型—專家S面控制器，其控制模型如圖2所示．專家S面控制器是以間接專家控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，運(yùn)用人的知識和經(jīng)驗(yàn)[7]，并按照專家在求解控制問題時(shí)的啟發(fā)式思維模式和控制規(guī)則構(gòu)造而成的控制策略．專家S面控制器通過對參數(shù)k1、k2和ki的在線調(diào)整，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能達(dá)到要求．

圖2　專家S面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

專家S面控制器作為一個(gè)二級實(shí)時(shí)智能協(xié)調(diào)控制器，由兩部分組成：專家智能協(xié)調(diào)級、基本控制級．由S面控制和專家控制組成控制級，S面控制器為控制系統(tǒng)的基本控制級，控制級與被控對象組成實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)．專家智能協(xié)調(diào)級由數(shù)據(jù)庫、知識庫和智能協(xié)調(diào)器組成，數(shù)據(jù)庫主要用來存放誤差變化率和誤差的閾值以及參數(shù)k1、k2的在線調(diào)整范圍；知識庫主要為常規(guī)的產(chǎn)生式規(guī)則的集合；智能協(xié)調(diào)器為推理機(jī)．專家智能協(xié)調(diào)級主要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)性能[8]．

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，通過推理機(jī)完成對S面控制器參數(shù)的在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對控制對象的有效控制．在本文的研究對象中，存在規(guī)則庫少、推理搜索空間有限的缺點(diǎn)，因此本文采用有條件推理結(jié)論的正向推理機(jī)制[9]，通過對控制規(guī)則的逐條匹配，實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則集的完善和在線智能．

2.3控制參數(shù)在線調(diào)整算法

由S面的數(shù)學(xué)控制模型可知，在S面控制系統(tǒng)中，控制參數(shù)k1、k2分別對偏差和偏差變化率有很大的影響效果，下面對系統(tǒng)響應(yīng)的影響進(jìn)行具體分析：控制參數(shù)k1影響偏差e在系統(tǒng)中的控制作用．k1的變化將引起誤差的控制效果，如果k1取值增大，誤差的控制效果相應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)控制所要上升時(shí)間變短，由于控制的慣性作用，產(chǎn)生較大的超調(diào)量，收斂速度變慢，如果k1選取過大，系統(tǒng)可能產(chǎn)生較大幅度的震蕩現(xiàn)象，所以k1的值不能過大．如果減小參數(shù)k1的值，削弱誤差的控制作用，這樣可以減小超調(diào)量，同時(shí)避免震蕩的產(chǎn)生，但如果k1的值過小，導(dǎo)致誤差的控制作用不夠，將使得上升速度變緩，收斂時(shí)間增長，穩(wěn)定狀態(tài)下的誤差變大，同樣不能達(dá)到控制效果．

通過分析，控制參數(shù)k1、k2的選取將對控制器的控制效果造成不同的影響，在系統(tǒng)的不同控制階段，參數(shù)k1、k2的值都將對控制器的控制效果產(chǎn)生不同的影響．

通過對S面控制系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，得到了如下所示的控制參數(shù)在線調(diào)整算法，這樣的一組產(chǎn)生式的控制規(guī)則用來實(shí)現(xiàn)本文控制策略中的k1、k2和ki選?。?/p>

本文中，k1(0)、k2(0)和ki的初始值主要按照控制系統(tǒng)的特性和控制經(jīng)驗(yàn)選取．

3半實(shí)物仿真

3.1半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

UUV定深定向控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)，要求能為UUV定深定向控制系統(tǒng)提供真實(shí)的工作環(huán)境，模擬不同的工作條件，并能模擬各種極端條件下的工作情況，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的控制器的各種功能和可靠性，分析系統(tǒng)、設(shè)備的臨界工作條件．UUV定深定向控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)具體應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)仿真機(jī)建立UUV的模型，包括6個(gè)自由度的受力模型以及動(dòng)力系統(tǒng)、浮力、均衡模型，并對UUV的6自由度非線性模型進(jìn)行仿真解算．

2)采用半實(shí)物模擬機(jī)構(gòu)，即三軸轉(zhuǎn)臺，直觀地體現(xiàn)給定艉水平舵、艉垂直舵、圍殼舵舵角時(shí)，三軸轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析反饋數(shù)據(jù)的正確性．在UUV預(yù)編程航行及自主航行時(shí)候，觀察定深定向航行過程中三軸轉(zhuǎn)臺的變化過程，分析其合理性．

3)通過海流模擬器模擬不同的海況，浪涌、溫度、鹽度、深度等數(shù)據(jù)，分析在不同的海況下算法的適應(yīng)性．

4)通過中央控制單元輸入的UUV定深航行的深度，模擬定深航行過程，分析到達(dá)預(yù)定深度的仿真波形圖；通過中央控制單元輸入U(xiǎn)UV的航向，模擬定向航行過程，分析到達(dá)預(yù)定航向的仿真波形圖．

圖3　半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理圖

UUV定深定向控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)原理圖如圖3所示，為了UUV定深定向控制系統(tǒng)的功能，在進(jìn)行UUV定深定向控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須包括以下設(shè)備：1)DSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)：主要功能是仿真被控對象和環(huán)境；2)Matlab仿真工作站：主要功能是建立UUV定深定向控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；3)Fluent仿真工作站：主要完成UUV結(jié)構(gòu)特性分析、流體動(dòng)力性能分析；4)GPS及深度信號給定機(jī)構(gòu)：自主航行和預(yù)編程航行時(shí)，需要最初的GPS位置信號才能開始航行，深度給定信號后才能進(jìn)行定深航行，為提供UUV的航行深度控制；5)中央控制單元：本課題使用的中央控制單元是由盛博協(xié)同設(shè)計(jì)制作，主要是基于PC104主板設(shè)計(jì)的．主要的定深定向算法均在中央控制單元中執(zhí)行．在進(jìn)行定深定向控制時(shí)，根據(jù)Matlab仿真工作站反饋的深度信息進(jìn)行定深控制，同時(shí)根據(jù)三軸轉(zhuǎn)臺給定的航向角進(jìn)行航向控制，根據(jù)三軸轉(zhuǎn)臺給定的橫滾角和俯仰角進(jìn)行航行過程中的姿態(tài)控制；6)本文所研究的控制對象比較特殊，不同于一般UUV，在下潛過程中先進(jìn)行注水動(dòng)作使得實(shí)驗(yàn)艇處于零浮力的狀態(tài)，然后電機(jī)啟動(dòng)，艉水平舵、圍殼舵、艉垂直舵開始打舵．因此在Matlab仿真工作站的仿真模型應(yīng)建立均衡系統(tǒng)模擬完成注排水過程．基于均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確的主排水流量信息，故在本文中使用的模型沒有采用均衡系統(tǒng)．在下潛準(zhǔn)備過程中直接將潛深初值設(shè)置為-2 m．浮力狀態(tài)設(shè)置為小負(fù)浮力狀態(tài)下開始仿真．

3.2半實(shí)物仿真模型

如圖4所示為定深定向的Matlab工作站半實(shí)物仿真模型，主要由3部分組成，控制算法、深度控制模型、航向控制模型．

圖4　定深定向半仿真模型

定深算法中，對俯仰角的控制具有重大意義，它除了能更好地控制航行器下潛姿態(tài)以外，還是衡量控制算法的一個(gè)重要指標(biāo)．為了保證航行器定深控制的性能，俯仰角在定深控制過程中至關(guān)重要．

在實(shí)際航行過程中，由于海流等各種干擾因素的存在，控制定深常態(tài)狀態(tài)下會(huì)存在一定的偏差，UUV在航行時(shí)就會(huì)通過不停的打舵來校正俯仰角，保持航行的姿態(tài)，一般情況下，UUV的俯仰角不應(yīng)該超過正負(fù)10°的范圍，對于本文的研究對象而言，由于其體積重量龐大，艇體長的特點(diǎn)，一般控制實(shí)驗(yàn)艇的俯仰角在正負(fù)5°的范圍以內(nèi)，否則就要進(jìn)行水下均衡調(diào)整艇的狀態(tài)，甚至進(jìn)行應(yīng)急處理以保證實(shí)驗(yàn)的安全．

定深控制主要是航行器從水面下潛到某一深度和航行器在某一深度航行時(shí)受到各種擾動(dòng)而加以糾正控制．深度的變化必將伴隨著俯仰角的的變化，俯仰角如果變化過于劇烈，深度控制將產(chǎn)生較大的超調(diào)量，如果俯仰角變化過于緩慢，將導(dǎo)致深度變化也很緩慢，調(diào)節(jié)時(shí)間長．

該控制算法是基于專家S面控制算法研究而設(shè)計(jì)的，控制算法考慮了UUV的垂向速度以及俯仰角速度，由于UUV的排量大，機(jī)動(dòng)能力較小型UUV差，因此通過UUV的艉水平舵和艏水平舵來實(shí)現(xiàn)的．

3.3仿真結(jié)果與分析

1)定深20 m，即深度從0 m變深到20 m的過程，航向角定向10°，且從0°變到10°，如圖5所示．如圖5(a)所示，此次定深定向航行過程中第240 s時(shí)航行深度第一次達(dá)到20 m，之后60 s發(fā)生了超調(diào)，超調(diào)量0.8 m左右，第400 s時(shí)航行深度收斂于20 m的設(shè)定深度值，具有較好的深度控制效果；在定深定向航行的過程中，由圖5(b)可以看出，實(shí)驗(yàn)艇在0～100的范圍內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)大的埋首，根據(jù)智能控制的理念，俯仰角提前產(chǎn)生歸零趨勢，在200 s時(shí)俯仰角為0°，此時(shí)系統(tǒng)檢測深度未到20 m，再次產(chǎn)生埋首的效果，直到第400 s系統(tǒng)深度到達(dá)20 m，實(shí)驗(yàn)艇開始抬首，此時(shí)抬首，產(chǎn)生了一定的超調(diào)量．此定向航行中航向角的基本趨勢、控制趨勢與定深航行相同．圖5(d)中也對定深航行過程中(0～400 s的時(shí)間內(nèi))的垂向速度進(jìn)行了分析，可以看出，在340 s左右的時(shí)間上，垂向速度由正值向負(fù)值過渡，以抵消超調(diào)．

圖5　定深20 m半實(shí)物仿真波形

2)定深12.5 m，即深度從0 m變深到12.5 m，航向角5°方向，且從0°到5° ，如圖6所示．

圖6　定深12.5 m半實(shí)物仿真波形

如圖6(a)所示，此次定深定向航行過程中第170 s時(shí)航行深度第一次達(dá)到12.50 m，之后50 s發(fā)生了超調(diào)，超調(diào)量0.6 m，第340 s時(shí)航行深度收斂于12.5 m的設(shè)定深度值，具有較好的深度控制效果；在定深定向航行的過程中，由圖6(c)可以看出，實(shí)驗(yàn)艇在0～200的范圍內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)大的埋首，根據(jù)智能控制的理念，俯仰角提前產(chǎn)生歸零趨勢，在1 200 s時(shí)俯仰角為0°，12.5 m定深航行的效果與20 m定深航行的不同，俯仰角曲線在很長時(shí)間范圍內(nèi)均存在波動(dòng)，其原因是小深度控制存在近水面干擾．

4結(jié)論

本文將專家控制與S面控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種專家S面控制器，對專家S面控制算法進(jìn)行半實(shí)物仿真分析，分別在定深20 m和定深12.5 m，定向10°時(shí)對定深效果和定向效果進(jìn)行分析，得出了較好的結(jié)論；進(jìn)行了水下變深的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變深過程中姿態(tài)基本穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際使用要求．

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[責(zé)任編輯張莉]

Design of UUV Attitude Control System Based on Expert S Control

Huang YuehuaLiu RuiyongYang PeipeiLi ChuangXiang Dongxu

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractIn recent years, the application of long voyage UUV becomes more and more popular, when the UUV underwater to sail long-distance, due to the different densities of seawater in different waters, the force status of UUV changed, so as to affect the sailing attitude of UUV; so the UUV can not be complete the navigation task in accordance with a predetermined path, even in danger. In this paper, for the attitude change, we combine the S control and expert control to design a expert s controller and having a semi-physical simulation. The simulation results show that this method can meet the actual requirements to adjust the depth-direction of UUV in real-time and accurately.

Keywordsunmanned underwater vehicle(UUV)；overall framework；expert S control；depth-direction；semi-physical simulation

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61374028,61174216, 51177088)；湖北省自然科學(xué)基金(2013CFA050)

收稿日期：2015-09-17

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0080-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.017

通信作者：黃悅?cè)A(1972-)，男，教授，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程．E-mail：805254454@qq.com