多执行机构结合的AUV运动控制系统设计

查,智

中国船舶集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003

摘 要：由于人类文明的高速发展，世界各国对水下资源的开发需求日趋强烈。AUV是集控制系统、通信系统、导航系统、声纳系统、摄像系统、推进系统等多种设备为一体的水下高科技平台，广泛应用于水下目标的探测与识别、水下侦查、水下信息采集、水下目标处理等领域，可以在江、河、湖、海洋等复杂环境中执行各种军用和民用任务，对人类开发水下资源有着极为重要的作用。本文根据AUV的发展特点，介绍了AUV的系统构成，控制系统软、硬件设计，并重点介绍了控制系统算法设计。系统湖上试验表明：该AUV具有良好的运行特性，对AUV的工程实践具有较好的参考意义。

关键词：AUV；导航系统；控制系统

0引 言

AUV作为一个复杂的系统，集成了人工智能、水下目标探测和识别、数据融合、智能控制以及导航和通信各子系统，是一个可以在复杂水下环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台。由于水下机器人在海事研究和海洋开发中具有远大前景，在未来水下信息获取、精确打击和“非对称情报战”中大有可为，因此水下机器人技术在世界各国都是一个重要的研发领域[1-3]。本文所述AUV是一种功能强大水下无人平台，主要体现在以下两个方面：一、能适应高、低速航行，由于同时采用水平舵机和垂向推进器两种执行机构来控制深度，水平舵机和垂向推进器根据AUV航速大小来分配参与的比重，可以很好的适应不同的航速下的深度控制；采用左右水平推进电机对称布局，可以保证AUV在低速时具有较好的调向能力，左右水平推进电机与垂向推进电机的结合使AUV具有较好的低速控位能力；二、同时挂载前视声纳和侧视声纳进行目标探测，侧视声纳用于区域范围内搜索目标，前视声呐用于目标处理时搜索目标，当目标进入水下电视视野范围，由水下电视进行精确导引，引导AUV低速控位处置水下目标。

1AUV总体设计

AUV作为人类肉眼在水下区域的延伸，要想在复杂的水下环境进行作业，必须配置各种执行机构与多种传感器，才能对水下状况一览无余，本文AUV集成了水平推进电机、垂向推进电机、声纳系统(含前视声呐和侧视声呐)、水下照明与摄像、惯性导航装置、多普勒计程仪、北斗接收装置、电源系统、控制系统、水平舵机等，其组成如图1所示。

图1 AUV系统基本组成

2AUV控制系统设计

AUV控制系统包括硬件和软件两个部分，由于AUV搭载设备和传感器众多，要求控制系统硬件具有较好的扩展性。硬件扩展性主要体现在以下几个方面：1、有预留的电源接口和通信接口；2、控制系统与各分布式设备或传感器之间采用CAN网络通信，可以方便外挂分布式节点设备。关于软件扩展性方面，主要体现在两个方面：1、软件开发基于实时操作系统VXWORKS；2、软件设计采用开放式架构，可以较方便扩展各种功能模块。

2.1控制系统硬件设计

控制系统是整个AUV的核心，控制系统硬件采用PC104架构，主要包括CPU板、采集板、I/O及通信扩展板、继电器控制板。其中，CPU控制板是控制的核心，其外围自带有以太网、存储器、LCD接口、键盘/鼠标接口、USB接口、RS232/422/485接口等；采集板具有A/D，D/A，I/O输入输出等接口；I/O及通信扩展板具有I/O输入输出口、CAN口、RS232/422/485接口等；继电器控制板集成了多路继电器，用于控制各设备电源的通断。控制系统硬件总体设计如图2所示。本文中，除惯性导航装置、北斗接收装置、无线电台采用串口通信，其它分布式设备均采用CAN总线组网通信。

图2 AUV控制系统硬件总体设计

2.2 控制系统软件设计

AUV控制系统软件设计基于Vxworks操作系统进行开发，开发环境为Tornado 2.2。根据AUV的实际情况，把整个系统划分为自主航行、AUV状态信息发送、推进电机命令发送、惯导数据发送、电源管理单元命令发送、舵机控制命令发送、应急保护、舵机状态信息接收、电源管理单元数据接收、推进电机状态信息接收、无线电台数据接收、北斗数据接收、惯导数据接收等任务。任务划分充分考虑到系统实时性与软件效率。根据AUV控制的实际需求，将应急保护设置为最高优先级。进入运行状态后，在主任务中启动其它任务。AUV的系统软件架构如图3所示。

图3 AUV控制系统软件总体设计

3AUV运动控制算法设计

AUV是一个典型的六自由度运动体，其运动模式可分解为纵向运动、横向运动、横滚运动和轴向运动[4] [5]。纵向运动即是俯仰运动，用于产生上浮与下潜效果，通过艉水平舵实现；横向运动即是偏航运动，用于改变航行方向，通过左右水平电机差动方式实现；横滚运动是纵向运动和横向运动的耦合，通过艉水平舵或者左右水平电机的差动实现；轴向运动即是航速和转速的控制，通过左右水平推进电机来实现。下面对航向控制算法、深度控制算法、自动循迹算法进行介绍。

3.1 航向控制

航向控制系统采用典型的PD控制，其原理图如图4所示。

图4 航向控制系统原理图

图中ψd和ψ分别是期望的方位角和实际的方位角，ψe为方位误差，KP 和Kd分别是比例-微分控制器的增益，YT为使潜航体产生转向的推力。

根据AUV总体配置情况，潜航体旋回机动的推力由两水平推进装置差动产生，故最终控制为水平电机转速。由于AUV中组合导航系统可提供航向转动角速度，因而，控制环节中微分项用角速度替代，航向通道控制规律简化为：

其中：为航向角速度，假定初始转速为n0，n0取值范围为－1200～+1200转/分，可将左右电机转速控制规律描述如下：

考虑原地回旋时n0为0的情况，为了避免分母为0，而且n0较小时，对应产生的YT较小，因此，将左右电机转速控制规律近似描述如下：

nl为左电机给定转速，nr为右电机给定转速。

3.2 深度控制

深度控制采用双环定深控制，其控制规律为：

＝－

其中：为设定深度，为实际航行深度，为水平舵角，为左垂直电机给定转速，为右垂直电机给定转速，kp1，kp2，kp3为比例系数，kd为微分系数，θ为潜航体俯仰角。

3.3 自动循迹航行

在航向控制系统中加入偏航距离的闭环控制，将偏航距离控制转换为航向角控制，实现自动循迹航行，其控制规律如下：

同航向控制一样，将左右电机转速控制规律近似描述如下：

其中为到目标点的纵向距离，为到目标点的横向距离，为计划航线航向，为当前点与目标航路点连线的航向，为当前航向，为航向角速度，a、b为加权系数，、分别为比例和微分系数。

自动循迹航行主要是利用航线坐标点信息和潜航体位置信息，实时解算沿航线航行所需控制的航向和深度，通过自动循迹航行的航向控制系统和深度控制系统来实现。

4实验结果

图5为低速控位AUV在湖上3节速度航行时的航向保持效果图。图6为AUV定深5米，航行速度为3节时采用水平舵机和垂向推进电机结合模式下的深度控制效果图。

图5  AUV航向保持（给定值：100度）实航效果图

图6  3节航速下5米深度保持曲线

图7为AUV在湖上按计划航线航行的轨迹图，绿色线为规划轨迹，红色线为GPS位置轨迹，蓝色线为惯性导航装置位置轨迹。

图7 自动循迹航行时各航迹对比图

5总 结

采用基于PC104和Vxworks的控制系统架构，使AUV的控制系统设计较为简化，缩短了开发周期。采用水平舵机和垂向推进器结合的方式对深度进行控制，能适应AUV不同航速下的深度控制需要，为AUV进行水下悬停作业提供了保证；采用左右水平推进器差动控制的方式对航向进行控制，能实现AUV在低速时进行航向调整。总之，基于多个执行机构的AUV运动控制系统在复杂的水下环境下表现出良好的适应性，既能满足AUV低速航行需要，又能保证AUV以较高速度稳定航行。该AUV在水下具备良好的航行性能，在AUV的工程应用中具有较好的推广意义。

参考文献：

[1] 刘用， 杨晓飞， 夏金铭．基于模糊算法的AUV避障与姿态控制[J]．江苏大学学报，2021，42(6):655-660．

[2] 蒋新松，封锡盛，王棣棠．水下机器人[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，2000．

[3] 李茹．基于TD3的AUV智能控制方法研究[D]．硕士学位论文，济南:山东大学，2021．

[4] 程健．水下机器人水动力性能及其运动控制研究[D]．大连:大连理工大学，2018．

[5] 张瀚文，王俊雄．基于自适应反步滑模的AUV推进器容错控制[J]．水下无人系统学报，2021，29(43):420-427．

查智（1981—），男，高级工程师，主要从事水下机器人智能控制研究。

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