槳翼聯(lián)合操縱微小型水下機器人運動控制仿真

黃曉雪

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧興城125105）

槳翼聯(lián)合操縱微小型水下機器人運動控制仿真

黃曉雪

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧興城125105）

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，微小型水下機器人技術的發(fā)展也越來越迅速，它與其他海洋結構物相比具有體積更小、阻力更低、操縱性能更好的特點，而要保證良好操縱性的前提是微小型水下機器人的運動控制技術。結合舵槳翼微小型水下機器人的特點，通過研究其運動控制與推力分配情況，完善了微小型水下機器人的水動力模型，為微小型水下機器人的性能測試和控制器的設計提供了一個有效的仿真平臺。

推力分配；運動控制；simulink仿真

隨著海洋科學技術的發(fā)展，微小型水下機器人技術的發(fā)展也日益迅速。水下機器人在戰(zhàn)爭中應用前景十分廣泛，它是制衡航母的重要武器，許多發(fā)達國家都投入了大量的人力物力來對其進行研發(fā)，并且已經(jīng)取得了長足的進展。同時，水下機器人正朝著遠程控制、智能控制、微小型化發(fā)展，對其要求也越來越高。為了節(jié)約能量減小阻力，新型的水下機器人嘗試采用舵、翼、槳共同控制的操縱方法，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行也為微小型水下機器人圓滿地完成作業(yè)任務提供了有利的保障。但是對于這種微小型水下機器人要想達到理想的操縱效果，對于舵槳翼中的推力如何進行合理分配又成了十分重要的議題。本文對水下機器人的推力分配進行研究，并在MATLAB/simulink軟件環(huán)境下對其進行平面運動仿真模型的搭建，通過仿真技術進行試驗得出實驗結果驗證推力分配的合理性。

1 舵槳翼微小型水下機器人推力分配設計

對于水下機器人控制研究的首要任務是推力的分配，也就是將根據(jù)算法得出的結果分配到螺旋槳和舵翼上。本文所研究的微小型水下機器人采用一個主推器、兩個舵、兩個翼，其結構如圖1所示。

圖1 軸測圖

由圖中可以看出，所研究的微小型水下機器人的推進器為單槳，尾翼十字形對稱布置在機器人尾部，機器人通過改變舵翼角度這一操縱方式可以實現(xiàn)轉向、升沉運動，故在進行推力分配的過程中首先分析其控制面作用力和螺旋槳推力。

1.1 控制面作用力

由舵的作用原理可知，當舵以速度V和攻角α運動時，相當于流體以速度V和攻角α向舵運動，并可以將這個作用力分解為垂直于水流方向的升力L和由于水的粘性作用產(chǎn)生的阻力D。

在操舵過程中，舵轉過一個固定的舵角，根據(jù)已知的CL-α和CD-α實驗數(shù)據(jù)，采用simulink插值模塊插值，可得到此舵角下的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，進而求得升力和阻力，并根據(jù)舵翼位置得出作用力矩。然后將所得數(shù)據(jù)帶入運動方程，得出舵力數(shù)學仿真模型，以升力為例，簡要介紹模型仿真過程。圖2為不同舵角下的升力系數(shù)。

圖2 升力系數(shù)數(shù)據(jù)

1.2 螺旋槳推力

螺旋槳的推力和力矩可以用航速V和控制電壓Ut的函數(shù)進行計算，即：

通過實驗測得在不同電壓和不同航速下的螺旋槳推力數(shù)據(jù)，并將其結果利用插值模塊進行插值，即可求得推力和力矩的數(shù)值，進而實現(xiàn)螺旋槳數(shù)學模型仿真。計算流程如圖3所示。

圖3 螺旋槳推力T的計算過程

根據(jù)船舶螺旋槳理論，微小型水下機器人依靠調節(jié)螺旋槳的推力、升力、阻力以及力矩來實現(xiàn)運動控制。改變推力和阻力可以調節(jié)縱向速度，改變升力的力矩可以調節(jié)角度。

2 微小型水下機器人運動控制仿真實驗

MATLAB軟件在圖形和信號處理、控制、設計等方面都有著廣泛的應用。其中SIMULINK是MathWorks公司開發(fā)的又一個具有重大影響力的軟件。它可以處理線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。除此之外，Simulink還為用戶提供了一個系統(tǒng)級的建模與仿真的使用環(huán)境，而且借助于MATLAB在計算上的優(yōu)勢，可以建立從初始設計到最終要求之間的可視化模擬仿真橋梁，很大程度上彌補了傳統(tǒng)的設計和開發(fā)軟件的不足。以槳翼聯(lián)合操作的微小型水下機器人為研究對象建立水平面的運動仿真模型流程如圖4所示。

圖4 水平建模流程圖

目標期望值包括縱向航速和航向角的期望值，將期望值與傳感器的反饋值進行作差得出偏差值，將偏差信號輸入控制器得出控制力和力矩，再進行推力分配使得推進器與控制面上的力與力矩能維持一定的運動姿態(tài)，即航速與航向角。由傳感器測得的航速與航向角返回至目標值作差中，就可以完成閉環(huán)回路的控制。要進行仿真建模，首先要對研究對象進行運動學分析，得出其運動的數(shù)學模型，再運用數(shù)學模型進行simulink的運動控制仿真。

2.1 水下機器人運動模型的建立

2.1.1 坐標系的建立和轉換

在建立水下機器人運動與仿真系統(tǒng)之前，首先需要確定適合描述水下機器人運動的坐標體系。本文采用國際船模拖曳水池（ITTC）和造船與輪機工程學會（SNAME）術語公報體系，建立固定坐標系（簡稱“定系”）和運動坐標系G-xyz（簡稱“動系”，或“O-xyz”） 兩種坐標系，如圖5所示，每個坐標系都采用右手定則進行確定。

圖5 固定坐標系和運動坐標系

固定坐標系與運動坐標系之間的轉換關系：

其中：

則運動坐標系為固定坐標系與T逆矩陣的乘積，這里就不在贅述。

2.1.2 粘性水動力計算

根據(jù)流體水動力學的理論，水平面運動時所受粘性類水動力的線性表達式：

當研究小舵角的粘性水動力時，由于偏離△u，w，d小，可忽略水動力泰勒展開式中的二階以上項，參照水平面運動時的水動力線性表達式，其在垂直面運動時粘性水動力的線性表達式為：

當艇體上下前后對稱時，結合平面運動方程得水平面的操縱運動方程：

垂直面操縱運動方程：

由于在研究水下機器人水平面運動時只考慮縱向速度u及角速度r，而不考慮v，所以令v=0則上式可簡化為：

令

同理在垂直面上時：

2.2 simulink模型的建立

將式（10）和（11）在simulink的s函數(shù)中進行編寫，得出simulink的數(shù)學模型，并將舵槳翼代入數(shù)學模型中進行仿真得到水下機器人模塊，該模塊的輸入是電壓與舵角數(shù)值，經(jīng)過插值得到相應的螺旋槳推力、舵升力力矩與阻力。由流程圖和AUV模塊可得到如圖6所示的水平運功仿真模型。

圖6 水平面運動仿真模型

U0，yaw0模塊分別輸入的是常數(shù)，即縱向速度u及航向角yaw的期望值，與回路中測得的返回實際值作差得出期望值與實際值的偏差，將偏差輸入pid控制模塊中得出達到期望值所需要的力與力矩，將力與力矩分別進行推力分配后得到相應的電壓及其舵角后輸入其中的subsystem模塊中，得出當前條件下的縱向速度u及航向角yaw。垂直面的仿真與水平面的過程及原理基本相似，其進行的是深度及縱傾角的控制，其仿真模型如圖7所示。

圖7 垂直面運動仿真模型

3 仿真結果分析

3.1 仿真結果

水平面縱向速度u仿真結果：期望值u0= 2.5米/秒，水平面艏向角的仿真結果：期望值yaw0=37度，則推力合力和力矩曲線的仿真結果如圖8和圖9所示。

圖8 推力合力曲線

圖9 力矩曲線

舵槳翼微小型水下機器人水平面的運動控制結果分析為：仿真時間進行了1 000秒，可以看出在足夠長的時間內，水下機器人的縱向速度與艏向角在前200秒以內就達到了其期望值，運動控制曲線都比較穩(wěn)定，超調量幾乎為零，上升時間比較短，說明控制參數(shù)的選擇比較適當，能使水下機器人在水平面的運動保持一定的航速與艏向角航行。水平面的縱向速度是通過軸向推力的合力來控制的，航向角的控制是通過力矩的改變來實現(xiàn)的，而推力合力與力矩的控制響應曲線也是很平穩(wěn)的上升，與實際情況是大致相符的。

垂直面仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10 合力曲線

圖11 力矩曲線

舵槳翼微小型水下機器人垂直面的運動控制結果分析為：仿真時間也是進行了1 000秒，可以看出在足夠長的時間范圍內，水下機器人在前200秒內就達到了目標值并能一直保持，垂直面上的縱向速度、深度與縱傾角的控制曲線都是平穩(wěn)上升的，超調量幾乎為零，而且達到平穩(wěn)的時間也比較短，說明控制很穩(wěn)定，即水下機器人的垂直面上的運動控制性能良好。垂直面上的縱向速度也是通過軸向的推力合力來控制的，縱傾角的控制則是通過升力產(chǎn)生的力矩的改變來實現(xiàn)的，深度控制則是通過升力改變來實現(xiàn)的，它們的控制響應曲線與其控制的對象相符合。

3.2 結果分析

由于受流體水動力的影響，若不加以控制，水下機器人將無法保持一定的航向與深度，因此要對水下機器人的運動加以控制，即通過控制水下機器人的動力裝置來使其保持一定航向與深度的航行。仿真結果曲線表明，控制器參數(shù)的選擇和推力分配的設計都是合理的，但由于所采用的推進器是單槳推進，聯(lián)合舵翼，推力分配過于簡單，不適用于復雜的模型。

通過圍繞舵槳翼微小型水下機器人的平面運動、運動控制方法、推力分配和仿真模擬展開工作，對舵槳翼微小型水下機器人的平面運動進行運動學與動力學分析，根據(jù)流體水動力學理論，得出水下機器人平面運動的數(shù)學模型，即動力學方程。根據(jù)仿真建模流程圖，用MATLAB/simulink軟件搭建仿真模型，并進行仿真實驗，最后對實驗進行結果分析，驗證了控制器以及推力分配設計的合理性，對相關內容的研究具有一定的指導意義。

[1]蘇玉民,萬磊,李曄,等.舵槳聯(lián)合操縱微小型水下機器人的開發(fā)[J].機器人,2007(2):151-154.

[2]李曄,劉建成,徐玉如,等.帶翼水下機器人運動控制的動力學建模[J].機器人,2005(2):128-131.

[3]郭冰潔.微小型水下機器人運動控制[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[4]蘇玉民,黃勝.船舶螺旋槳理論[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2003.

[5]徐玉如,龐永杰,甘永,等.智能水下機器人技術展望[J].智能系統(tǒng)學報,2006(1):9-16.

［責任編輯：劉 月］

Motion Control Simulation of the Micro Underwater Robot Operated by Propeller and Wing

HUANG Xiaoxue
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

With the development of shipbuilding industry,the development of micro underwater robot technology becomes more and more rapid.Compared with other marine structures,it has the characteristics of smaller volume,lower resistance and better maneuverability.The premise of good maneuverability is the motion control technology of micro underwater robot.Combined with the characteristics of the rudder,propeller and wing micro underwater robot,through the research of its motion control and thrust allocation,the researcher improves the hydrodynamic model of the micro underwater robot,and provides an effective simulation platform for the its performance testing and controller design.

thrust allocation;motion control;simulink simulation

TP242

A

2095-5928（2016）06-54-05

2016-10-25

黃曉雪（1988-），女，黑龍江安達人，助教，碩士，研究方向：船舶模擬仿真系統(tǒng)研究。

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.06.015