近水面條件下潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)*

蔡 鵬,朱 海,葛德紅,2,朱海榮

(1 海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266000;2 92267部隊(duì),山東青島 266100)

0 引言

潛標(biāo)是采用單點(diǎn)或多點(diǎn)錨泊系留方式,固定于深海一定深度實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境探測(cè)的海洋裝備,廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境調(diào)查、科學(xué)試驗(yàn)及其他領(lǐng)域。就單點(diǎn)系留深海探測(cè)平臺(tái)而言,其上搭載的探測(cè)、通信等功能模塊對(duì)其水下姿態(tài)往往有一定的要求[1],例如,王明午在文獻(xiàn)[2]中提出,某深海潛標(biāo)搭載實(shí)驗(yàn)儀器的極限傾角小于26°。

對(duì)于系留固定式潛標(biāo)水下姿態(tài)控制通常采用主、被動(dòng)兩種方式進(jìn)行,被動(dòng)控制主要通過增加正浮力、系留帶、激流絲等方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于無能耗、成本低,但主要缺點(diǎn)是增加了系留纜索的拉力,抗流能力有限,無法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。因此,需要研究基于推力作用的主動(dòng)姿態(tài)控制方法,文中研究基于單方向推力控制的潛標(biāo)姿態(tài)控制方法。

1 潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析建模

1.1 外形及結(jié)構(gòu)描述

文中所分析及試驗(yàn)使用的海洋潛標(biāo)模型外形尺寸為:全長(zhǎng)7 m,外徑500 mm,其中,姿態(tài)控制部分長(zhǎng)約5.1 m,重心下移量為820 mm,外形設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 潛標(biāo)姿態(tài)控制部分外形

為實(shí)現(xiàn)對(duì)上述潛標(biāo)姿態(tài)控制研究,文中在迎流方向上,采用螺旋槳推進(jìn)器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)主動(dòng)控制,其配置如圖2所示。

圖2 潛標(biāo)姿態(tài)控制推進(jìn)器配置

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

1)坐標(biāo)系

建立坐標(biāo)系是進(jìn)行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析的前提,具體包括:大地坐標(biāo)系Oxgygzg、平臺(tái)局部坐標(biāo)系Oxbybzb、速度坐標(biāo)系Oxayaza和航跡坐標(biāo)系Oxhyhzh。

其中,大地坐標(biāo)系在不考慮地球自轉(zhuǎn)情況下,視為慣性參考體,其原點(diǎn)O設(shè)在下纜下端點(diǎn),即系纜和錨的連接處,同時(shí)規(guī)定X軸的方向與來流方向相同,Z軸方向取豎直向下,Y軸的方向與X軸、Z軸垂直,并構(gòu)成右手坐標(biāo)系,標(biāo)記為Sg;平臺(tái)主體的局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)o通常設(shè)置在主體的重心處,x軸的方向規(guī)定為平臺(tái)的迎流運(yùn)動(dòng)方向,z軸的方向沿平臺(tái)的對(duì)稱軸向下,y軸的方向與x軸、z軸垂直,并構(gòu)成右手坐標(biāo)系,標(biāo)記為Sb;三個(gè)坐標(biāo)系的具體方向如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)模型坐標(biāo)系

2)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

在本體坐標(biāo)系Sb中,采用矢量矩陣法推導(dǎo)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型[3-4],基點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程為:

(1)

作用在平臺(tái)上的外力包括:流體動(dòng)力、浮力、重力、纜索張力、繞流產(chǎn)生的附加流體動(dòng)力及其他干擾力,由于平臺(tái)受海流影響運(yùn)動(dòng)速度較低,在計(jì)算過程中忽略附加流體動(dòng)力及干擾力等外力作用,在此僅考慮前四個(gè)外力,有:

(F)b=(R)b+Lbg((B)b+(G)b)+(H)b

(2)

式中:(R)b為流體力主矢在Sb中的分量;(L)bg為大地坐標(biāo)系Sg到平臺(tái)局部坐標(biāo)系Sb的轉(zhuǎn)換矩陣;(B)b為浮力在Sb中的分量;(G)b為重力在Sb中的分量;(H)b為纜索張力在Sb中的分量。

式中潛標(biāo)受到的各種重力、浮力等靜力計(jì)算及穩(wěn)態(tài)條件下的流體力計(jì)算見文獻(xiàn)[5-6],纜索張力計(jì)算見文獻(xiàn)[7-8],在此不再贅述。

基點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程為:

(MR)b+(rB×B)b+(r×G)b+(rH×H)b

(3)

潛標(biāo)近水面運(yùn)動(dòng)情況下,由于標(biāo)體全部位于水面以下,其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)主要受到海流的影響,在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)進(jìn)行了如下近似,一是認(rèn)為海流流場(chǎng)均勻,流速恒定,沒有垂直分量,二是海流作用下,潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)與其系留纜索軌跡在同一平面內(nèi),則流速U=[Ux00]。根據(jù)平臺(tái)與海流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為:

(VO)br=(VO)b-LbgU

(4)

2 基于Bang-Bang控制的單方向姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)

從上述海洋潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析可知,在進(jìn)行水下姿態(tài)控制過程中,往往存在系統(tǒng)非線性、參數(shù)時(shí)變、控制滯后等問題需要解決,且傳統(tǒng)控制方法難以適應(yīng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不確知的情況,對(duì)模型參數(shù)變化及干擾的適應(yīng)能力較差?？紤]到潛標(biāo)提供姿態(tài)控制所用能源有限,且在最小時(shí)間完成,并避免姿態(tài)控制推進(jìn)器的頻繁使用,文中針對(duì)潛標(biāo)姿態(tài)控制采用Bang-Bang控制,其控制原理如圖4所示。

圖4 潛標(biāo)姿態(tài)控制原理

根據(jù)潛標(biāo)近水面條件下姿態(tài)控制范圍為≤15°的要求,采用Bang-Bang控制器[9]時(shí),控制器輸出正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種轉(zhuǎn)動(dòng)指令,因此,當(dāng)姿態(tài)傳感器測(cè)量得到的姿態(tài)角正向大于15°時(shí),控制器輸出電機(jī)正轉(zhuǎn)指令,反之輸出反轉(zhuǎn)指令,因此其Bang-Bang控制策略如下:

式中：uc表示姿態(tài)控制器轉(zhuǎn)動(dòng)指令;θ表示近水面條件下潛標(biāo)姿態(tài)角。當(dāng)姿態(tài)角出現(xiàn)正向偏離且超過姿態(tài)控制范圍最大值時(shí),施加正向推力進(jìn)行調(diào)整,反之,施加反向推力進(jìn)行調(diào)整,最終將潛標(biāo)姿態(tài)角控制在≤15°范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)620 mm,外徑300 mm,正浮力為15 kg,重心下移200 mm,螺旋槳推力每個(gè)約40 N;錨重50 kg;外接供電及控制。

試驗(yàn)水池選擇斷面水槽實(shí)現(xiàn),如圖5所示。水槽長(zhǎng)65 m、寬1.2 m、深1.75 m,配有不規(guī)則造波機(jī)、造流系統(tǒng),產(chǎn)生的流速范圍為0～1.4 m/s,具有測(cè)流計(jì)可以進(jìn)行流速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

圖5 試驗(yàn)水池

姿態(tài)傳感器選用Xsense的MTi-g-700 MIMU,縱橫搖精度為0.3°(1σ),航向精度為2°(1σ)。

嵌入式姿態(tài)控制板包含串口通訊模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、SD卡存儲(chǔ)模塊、溫度傳感器等,用于進(jìn)行姿態(tài)采樣,通過采用Bang-Bang控制策略,輸出控制指令,控制推進(jìn)器進(jìn)行潛標(biāo)姿態(tài)調(diào)整。姿態(tài)控制推進(jìn)器外徑51 mm,長(zhǎng)度135 mm,推進(jìn)器具體技術(shù)參數(shù)如下:

1)額定電壓:+24 VDC,額定電流:14.5 A,額定功率:350 W;

2)工作深度:≤150 m,額定轉(zhuǎn)速:2 800 r/min,最大推力:40 N;

3)推進(jìn)器直徑:50 mm,螺旋槳直徑:90 mm,導(dǎo)流罩直徑:96 mm。

姿態(tài)控制試驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 多方向推力姿態(tài)控制技術(shù)試驗(yàn)裝置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過水槽造流造浪以模擬多方向姿態(tài)推力控制工作環(huán)境,在x軸迎流方向施加控制推力后,考察節(jié)點(diǎn)迎流方向上的姿態(tài)控制,其運(yùn)動(dòng)曲線如圖7～圖9所示。流速1.0 m/s,海況五級(jí)。

圖7 施加控制后x軸迎流方向傾角

圖8 施加控制后y軸方向傾角

圖9 施加控制后z軸方向傾角

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),在水槽流速最大值為1.0 m/s時(shí),在水下x方向施加推力后,姿態(tài)控制在±12.5°以內(nèi),滿足該潛標(biāo)水下姿態(tài)控制設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

文中在進(jìn)行潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)建模分析基礎(chǔ)上,通過采用Bang-Bang控制策略設(shè)計(jì)了潛標(biāo)近水面條件下姿態(tài)控制器,并研制了基于單方向推進(jìn)器主動(dòng)控制的潛標(biāo)姿態(tài)控制試驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過水池試驗(yàn)驗(yàn)證了姿態(tài)控制的有效性,可在流速1.0 m/s情況下,將潛標(biāo)姿態(tài)控制在±12.5°以內(nèi)。

文中僅在單方向姿態(tài)控制方面初步驗(yàn)證了利用推進(jìn)器進(jìn)行潛標(biāo)姿態(tài)控制的方法,在多方向推力控制、潛標(biāo)旋轉(zhuǎn)控制、湖海試驗(yàn)方面還需要進(jìn)一步深入研究,這將是下一步的研究重點(diǎn)。