基于多个执行机构的低速控位AUV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：由于现代文明的高速发展和陆地资源的过度开发，人类对水下资源的开发需求越来越强烈。低速控位AUV是集探测声纳、水下摄像与照明、水下推进器、导航系统、通信系统等多种设备和传感器为一体的水下无人高科技智能工作平台，广泛用于水下目标的探测与识别、水下目标处理、水下物证搜集等领域，可以在复杂的海洋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重要作用。本文从以下几个方面对低速控位AUV进行介绍：系统构成，控制系统硬件架构，运动控制算法设计。通过湖上试验表明：基于多个执行机构的AUV水下低速控位效果良好，对智能AUV的后续发展有重要参考意义。

关键词：AUV；低速控位；导航系统

1 前 言

智能AUV是一种无缆自主水下机器人，广泛应用于海洋勘探、海洋水文探测、水下工程、水下目标处理等领域。常规的探测型AUV通常只配置了一套水平推进器、一套水平舵机、一套垂直舵机等执行机构，此架构决定了它在水中只能进行运动探测，不能在海洋中某固定处进行悬停控制。随着AUV在军事和民用领域的需求越来越多，对AUV的运动控制也提出了更高的要求。为了拓展AUV的作业功能和使用领域，在AUV高速航行时，采用尾部水平推进器和舵机控制其运动，当需要AUV到达某水下固定目标点附近进行低速抵近观察或处理目标时，如果只靠尾部主推进器和舵机显然是不可能完成任务的。因此，本文在AUV的艏段和艉段的侧向各加上一个侧向推进器，在潜航体的中部安装一套垂向推进器。采用这种配置后，AUV就可以低速抵近固定目标处进行悬停控位。本文突破了传统AUV运动控制技术，已达到国内领先水平[1-3]。

2 低速控位AUV总体设计

本文需要解决的问题是提供一种能克服海流的低速控位的AUV，既能保证AUV在水中航行探测，又能实现AUV在水中低速抵近目标或悬停控位。本AUV将水平推进器、水平舵机、垂直舵机、侧向推进器、垂向推进器等有机的集成在一起，配合水下探测设备和导航设备，并挂载小型专用目标处理机构，实现了潜航体高速航行控制、低速抵近对准观察、定点悬停、目标处理一体化；高速航行控制与低速悬停控位相结合，既能实现对水下目标的区域搜索，又能实现对水下目标的精确处置。图1为低速控位AUV总体布局结构图。

图1 基于多个执行机构的低速控位AUV结构示意图

图1中，1、潜航体壳体；2、惯性导航设备(INS)；3、水下控制单元；4、电池单元；5、垂直舵机；6、水平舵机；7、电源控制单元；8、深度计；9、多普勒计程仪(DVL)；10、水平推进器；11、垂向推进器；12、侧向推进器；13、无线电台与北斗（BD）；14、前视声纳；15、水下电视；16、水下照明。

其中，水下控制单元是整个系统的控制中心。接收INS和深度计等传感器的数据，获知当前潜航体速度、姿态、位置信息、深度、高度等信息。结合操控指令要求，由AUV内置控制软件运算后，实时控制水平推进器、水平舵机、垂直舵机、侧向推进器、垂向推进器执行相应的动作；当AUV需要水下处理目标时，自动驾驶仪根据声纳给出的可疑目标位置信息，自主航行至目标处进行抵近观察，当确认目标后，控制AUV在目标附近进行低速控位，利用目标处置机构对目标进行处置。

3 控制系统总体结构设计

AUV控制系统硬件包括导航传感器、探测传感器、故障传感器、电源管理单元、执行机构、主控制单元等，涉及控制系统结构选型与设计、载荷分配、多传感器信息融合等关键技术问题。高性能、高可靠性、结构灵活是水下自航行器对控制系统硬件体系结构的要求[4] [5]。

智能AUV的主控制单元采用PC104体系结构，采用主板、采集板、CAN/IO扩展板、串口板的结构，主板型号为LX-3160，采集板为SEEM-1077，扩展板为CSD，串口扩展板为MSP-4。其硬件结构如图2所示。

图2AUV主控制单元硬件结构图

4运动控制算法设计

低速控位AUV控制系统控制结构框图如图3所示。

图3 AUV控制系统控制结构框图

经典的PD算法为：

其中，为被控量给定值，为被控量实时值，为AUV水下扰动量。

低速控位AUV运动控制算法设计的难点在于考虑推进器动态特性和饱和特性的条件下，如何估计和补偿海流和海浪的干扰。为此，设计如下扩张状态观测器：

其中，为扩张状态观测器输出的轴向位置，为扩张状态观测器输出的轴向速度，为扩张状态观测器输出的轴向加速度，、和为扩张状态观测器的参数，为运算步长，为控制器输出的电压值。为原点附近具有线性段的连续幂次函数，其表达式为：

从扩张状态观测器的形式可以看出，该扩张状态观测器并不针对某一特定的模型，许多研究表明，通过调整参数、和总是可以很好地对系统进行观测。

经典的PID控制的基本思想是利用误差反馈来消除误差，由于算法简单、控制效果能满足很多工程问题，而在工程上得到了广泛的应用。这里对经典的PD算法进行改进，变P、D的线性组合为非线性组合，以提高控制器的性能。非线性PD控制算法如下：

其中，为最速反馈函数，其表达式为：

整个非线性PD控制器的参数包括（决定输出幅值），为数字控制的步长，（与速度误差有关的参数）。

5控制效果

图4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5为基于多个执行机构的低速控位AUV在湖上对目标进行抵近观察后在目标附近进行低速控位时的目标位置轨迹图，其中，1点为目标；坐标一格为10米；蓝色箭头指示AUV的航向角。

图4  AUV航向保持（给定值：100度）效果图

图5 AUV低速控位时的位置轨迹图

6结论

本文中的一种基于多个执行机构的水下低速控位AUV，不仅能实现传统AUV的航行探测，而且能自动低速航行至可疑目标处进行抵近观察，当确认目标后，可在目标附近进行悬停低速控位，对其进行精确处置。本发明突破了传统AUV运动控制技术，填补了AUV在复杂海洋环境下对目标进行精确处置的技术空白。

参考文献：

[1] 黄哲敏，程舟济，夏英凯，等．X舵自主式水下航行器抗横滚控制研究与操纵性试验[J]．中国船舶研究，2021，16(1):19-30．

[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] 唐文政．基于改进S面控制的AUV运动控制方法研究[D]．硕士学位论文，哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019．

[4] 宫利明．深海型AUV大潜深运动控制方法研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2017．

[5] 万磊，张英浩，孙玉山，等．基于重构容错的智能水下机器人定深运动控制[J]．兵工学报，2015，36(4):723-730．

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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