水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

摘要：本文針對水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求，建立了ROV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了ROV閉環(huán)定向控制系統(tǒng)。基于PID控制方法，進(jìn)行了Simulink數(shù)學(xué)仿真和模擬閉環(huán)仿真，計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)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(jī)器人因其體積小、安全性高、作業(yè)深度大、航行時(shí)間長等特點(diǎn)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(jī)器人是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)相互耦合，另外，由于ROV在水下的重力、浮力和推進(jìn)器安裝情況未知，給控制器的設(shè)計(jì)帶來困難^[1]。建立ROV普遍、規(guī)范、實(shí)用的數(shù)學(xué)模型是對其進(jìn)行控制研究的前提。數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大;而模型過于簡單，則不能反映系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生相互耦合現(xiàn)象，但針對ROV操縱的性能需要，在實(shí)際控制時(shí)，可以盡量避免水平和垂直方向的聯(lián)動(dòng)操作。雖然ROV各個(gè)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]。可以進(jìn)行各個(gè)自由度解耦，而在每一個(gè)自由度上設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，然后再通過推力分配，實(shí)現(xiàn)對ROV的航行控制。本文以定向控制為重點(diǎn)，研究了控制器的設(shè)計(jì)過程，并對控制效果進(jìn)行仿真和模擬驗(yàn)證。

1 ROV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

1.1 參考坐標(biāo)系

　　為了詳細(xì)地描述ROV的運(yùn)動(dòng)，需要建立適合描述ROV運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系^[4]。一般建立兩種坐標(biāo)系：固定坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。

　　固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)E為海面或者海中的任意一點(diǎn)，η軸指向地理東，軸指向地理北，軸指向地心，如圖1所示。運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般取為ROV上的一點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系不是慣性坐標(biāo)系，在分析ROV運(yùn)動(dòng)情況的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)先在地面坐標(biāo)系中建立運(yùn)動(dòng)方程，然后轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中。地面坐標(biāo)系到運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的變換矩陣為^[5]：

1.2 空間運(yùn)動(dòng)方程

　　ROV在水下做6自由度的空間運(yùn)動(dòng)，具體定義如下^[6]：進(jìn)退：沿x軸正向?yàn)榍斑M(jìn)，沿x軸反向?yàn)楹笸?側(cè)移：沿y軸正向?yàn)橛乙疲貀軸反向?yàn)樽笠?潛浮：沿z軸正向?yàn)橄聺摚貁軸反向?yàn)樯细?回轉(zhuǎn)：以z軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，艏向右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負(fù);橫搖：以x軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，右傾為正，左傾為負(fù);縱傾：以y軸為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，抬艏為正，反之為負(fù)。水下機(jī)器人在6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)方程為^[7]：

　　忽略相互垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)耦合，運(yùn)動(dòng)方程可化簡為^[8]：

　　如果ROV重心和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)方程原點(diǎn)重合，則其運(yùn)動(dòng)方程又可化簡為：

2 水下機(jī)器人航向閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真試驗(yàn)

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(jī)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(shí)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(jī)的電壓，疊加至上位機(jī)操作機(jī)構(gòu)發(fā)出的進(jìn)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(jī)，作用于水下機(jī)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(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)

　　ROV水平面內(nèi)推進(jìn)器為環(huán)形分布，在進(jìn)行航向調(diào)節(jié)時(shí)，假設(shè)推進(jìn)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：