水下機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

作者/ 楊建華¹ 田守業(yè)² 1.西安工業(yè)大學 電子信息工程學院(陜西 西安 710072) 2.中國人民解放軍92474部隊(海南 三亞 572018)

摘要：本文針對水下機器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求，建立了ROV運動學模型，設(shè)計了ROV閉環(huán)定向控制系統(tǒng)。基于PID控制方法，進行了Simulink數(shù)學仿真和模擬閉環(huán)仿真，計算機仿真試驗表明，系統(tǒng)能夠較快地穩(wěn)定到設(shè)定值，能夠滿足對ROV定向控制的要求，航向閉環(huán)模擬試驗驗證了控制系統(tǒng)的可靠性。

引言

　　目前，世界上各大國家都在大力發(fā)展海洋事業(yè)。但海洋中存在各種不確定和未知因素，水下機器人因其體積小、安全性高、作業(yè)深度大、航行時間長等特點成了替代人類作業(yè)最好的工具。在海洋開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。水下機器人是一個強非線性系統(tǒng)，各個自由度的運動相互耦合，另外，由于ROV在水下的重力、浮力和推進器安裝情況未知，給控制器的設(shè)計帶來困難^[1]。建立ROV普遍、規(guī)范、實用的數(shù)學模型是對其進行控制研究的前提。數(shù)學模型過于復(fù)雜會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜，實現(xiàn)難度較大;而模型過于簡單，則不能反映系統(tǒng)真實的運動過程，導(dǎo)致其控制性能的下降^[2]。雖然在ROV航行過程中，各自由度的運動會發(fā)生相互耦合現(xiàn)象，但針對ROV操縱的性能需要，在實際控制時，可以盡量避免水平和垂直方向的聯(lián)動操作。雖然ROV各個自由度的推力與推力器發(fā)出的力之間的關(guān)系一般都不復(fù)雜,但仍存在差異^[3]?？梢赃M行各個自由度解耦，而在每一個自由度上設(shè)計一個控制器，然后再通過推力分配，實現(xiàn)對ROV的航行控制。本文以定向控制為重點，研究了控制器的設(shè)計過程，并對控制效果進行仿真和模擬驗證。

1 ROV運動學模型建立

1.1 參考坐標系

　　為了詳細地描述ROV的運動，需要建立適合描述ROV運動的坐標系^[4]。一般建立兩種坐標系：固定坐標系和運動坐標系。

　　固定坐標系的原點E為海面或者海中的任意一點，η軸指向地理東，軸指向地理北，軸指向地心，如圖1所示。運動坐標系的原點一般取為ROV上的一點，x軸與ROV主對稱軸一致，y軸與ROV輔助對稱軸一致，z軸按照右手定則選取，如圖1所示。

　　由于運動坐標系不是慣性坐標系，在分析ROV運動情況的時候，應(yīng)當先在地面坐標系中建立運動方程，然后轉(zhuǎn)換到運動坐標系中。地面坐標系到運動坐標系轉(zhuǎn)換的變換矩陣為^[5]：

1.2 空間運動方程

　　ROV在水下做6自由度的空間運動，具體定義如下^[6]：進退：沿x軸正向為前進，沿x軸反向為后退;側(cè)移：沿y軸正向為右移，沿y軸反向為左移;潛?。貉貁軸正向為下潛，沿z軸反向為上浮;回轉(zhuǎn)：以z軸為中心的轉(zhuǎn)動，艏向右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負;橫搖：以x軸為中心的轉(zhuǎn)動，右傾為正，左傾為負;縱傾：以y軸為中心的轉(zhuǎn)動，抬艏為正，反之為負。水下機器人在6個自由度上的運動方程為^[7]：

　　忽略相互垂直面內(nèi)的運動耦合，運動方程可化簡為^[8]：

　　如果ROV重心和運動坐標方程原點重合，則其運動方程又可化簡為：

2 水下機器人航向閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真試驗

2.1 航向閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

　　航向控制系統(tǒng)的功能是維持水下機器人的航向角恒定，控制回路采用羅經(jīng)作為反饋傳感器，以羅經(jīng)測出的實際航向角和設(shè)定航向角的偏差作為閉環(huán)輸入，通過PID調(diào)節(jié)后輸出控制電機的電壓，疊加至上位機操作機構(gòu)發(fā)出的進退、橫移航行指令上，然后經(jīng)推力分配環(huán)節(jié)和限幅后，輸出至各直流電機，作用于水下機器人載體，使它保持設(shè)定的航向，回路控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 ROV轉(zhuǎn)向運動傳遞函數(shù)

　　ROV水平面內(nèi)推進器為環(huán)形分布，在進行航向調(diào)節(jié)時，假設(shè)推進器輸出的推力大小相同，力矩的作用方向相同，總的推力矩可表示為：