水下機(jī)器人深度控制研究

袁彬++魏國(guó)亮++董團(tuán)陽(yáng)

摘要：實(shí)現(xiàn)PID控制器在水下機(jī)器人中的應(yīng)用。提出水下機(jī)器人六自由度空間運(yùn)動(dòng)模型；借助SIMULINK平臺(tái)，設(shè)計(jì)PID控制器對(duì)水下機(jī)器人深度控制進(jìn)行仿真；將控制算法寫(xiě)入實(shí)際控制系統(tǒng)中，并在仿真控制參數(shù)的基礎(chǔ)上微調(diào)，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人深度控制。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；PID控制器；SIMULINK

DOIDOI：10.11907/rjdk.161638

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）009012502

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：袁彬（1990-），男，河北石家莊人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人姿態(tài)控制；魏國(guó)亮（1973-），男，上海人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人姿態(tài)控制算法；董團(tuán)陽(yáng)（1991-），男，陜西西安人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樗聶C(jī)器人操作系統(tǒng)。

0引言

海洋中蘊(yùn)含著豐富的資源，如石油、天然氣、各種稀有金屬等。據(jù)估計(jì)，海洋中的資源儲(chǔ)藏量是陸地的幾十到幾百倍。海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用對(duì)人類未來(lái)的生存與發(fā)展具有十分重要的意義。水下機(jī)器人由于機(jī)動(dòng)靈活，能夠在深海中長(zhǎng)時(shí)間工作而日益成為人類開(kāi)發(fā)利用海洋資源的重要工具。因此，水下機(jī)器人的研究具有重要價(jià)值。

從水下機(jī)器人與水面支持設(shè)備（母船或平臺(tái)）間聯(lián)系方式的不同，可以將水下機(jī)器人分為兩大類：一類是有纜水下機(jī)器人，習(xí)慣上稱為水下遙控運(yùn)載體（Remotely Operated Vehicle），簡(jiǎn)稱ROV。ROV是由母船通過(guò)電纜向其提供動(dòng)力和進(jìn)行遙控；另一類是無(wú)纜水下機(jī)器人，稱為水下自主式無(wú)人運(yùn)載體（Automatic Underwater Vehicle），簡(jiǎn)稱AUV。AUV自帶能源，依靠自身控制完成任務(wù)。有纜機(jī)器人都是遙控式，按其運(yùn)動(dòng)方式分為拖曳式、（海底）移動(dòng)式和浮游（自航）式3種。而無(wú)纜水下機(jī)器人只能是自治式的，按規(guī)劃的航線執(zhí)行任務(wù)。ROV研究將是未來(lái)水下機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展方向。

水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是其完成指定任務(wù)的前提和保障，是水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文提出便于直接進(jìn)行控制和仿真的六自由度通用模型。以水下機(jī)器人深度控制為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)PID控制器。首先，在SIMULINK仿真[1，2]環(huán)境下對(duì)水下機(jī)器人深度控制進(jìn)行模擬仿真，然后將控制算法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人深度控制。

1水下機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型

任何運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型都是基于一定的坐標(biāo)系，首先確定水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。本文采用國(guó)際水池會(huì)議（ITTC）推薦的體系。坐標(biāo)系分為機(jī)體坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，兩種坐標(biāo)系之間通過(guò)歐拉公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了分析水下機(jī)器人的六自由度運(yùn)動(dòng)，考慮使用方便，將艇體重心與坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。六自由度坐標(biāo)系[3]如圖1所示。

根據(jù)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，圖1為水下機(jī)器人的六自由度運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，其中X軸為艇艏方向、Y軸為橫軸、Z軸為垂直軸、繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的橫滾角φ、繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角θ、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的偏航角ψ。 符號(hào)表示如表1所示。

定義基于機(jī)體坐標(biāo)系的六自由度擴(kuò)展坐標(biāo)為：

η=xyzφθψT（1）

定義基于地理坐標(biāo)系的六自由度擴(kuò)展坐標(biāo)為：