基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的AUV定深懸浮控制

孫慶剛 ，鄭 榮 ，安家玉 ，楊 博 ，楊 斌

（1．中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著人類對海洋資源開發(fā)利用的不斷加大，AUV（autonomous underwater vehicle）具有越來越廣泛的應(yīng)用前景，長航時、低能耗是AUV的主要發(fā)展方向之一[1]。AUV的定深懸浮是無航速的深度和縱傾控制，能夠使AUV在某一深度實現(xiàn)無動力懸停，達(dá)到虛擬錨泊，以便進(jìn)行長時間的定點觀測[2]。AUV的定深懸浮可以通過艏、艉槽道推進(jìn)器和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩種方式實現(xiàn)。依靠槽道推進(jìn)器實現(xiàn)定深具有動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但是在定深過程中需要推進(jìn)器持續(xù)地工作，從而會消耗大量可貴的能源；依靠浮力調(diào)節(jié)實現(xiàn)定深能夠長時間維持狀態(tài)穩(wěn)定，但是由于浮力改變需要一定的時間，導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)較慢，同時，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比槽道推進(jìn)器，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。依靠浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)定深相對于槽道推進(jìn)器方式，可減少用電量，增加了水下航行時間。因此，研究AUV基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的定深懸浮具有重要的意義。

中科院沈陽自動化研究所鄭榮等提出了將浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用于作業(yè)型AUV上，本文在此基礎(chǔ)上調(diào)整油囊的數(shù)量和分布，研究溫度對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響以及無模型定深控制策略等[3]；韓志剛等人將無模型控制方法應(yīng)用于硝酸銨生產(chǎn)等大復(fù)雜時滯系統(tǒng)控制中，控制效果明顯優(yōu)于PID控制，本文借鑒其控制策略，將無模型控制方法應(yīng)用于AUV的定深懸浮控制[7-8]。

針對AUV的定深懸浮問題，本文設(shè)計、開發(fā)了一套浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和定深懸浮控制程序，通過無模型反饋控制方法控制浮力調(diào)節(jié)單元，達(dá)到定深懸浮和實現(xiàn)姿態(tài)控制。湖上試驗結(jié)果表明，設(shè)計的控制策略可以很好地實現(xiàn)AUV的定深懸浮。

1 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本原理

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理：AUV浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為容積式和重力式兩種。容積式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是在不改變AUV自身重量的條件下，改變AUV的排水體積使其浮力狀態(tài)發(fā)生變化，實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)；重力式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是在不改變其排水體積的條件下，改變AUV自身的重量使其浮力狀態(tài)發(fā)生變化，實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)[3]。

本文采用的是容積式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由前后配置的兩個浮力調(diào)節(jié)單元組成。每個浮力調(diào)節(jié)單元在AUV的耐壓艙內(nèi)外各設(shè)置一個油囊，通過液壓回路實現(xiàn)內(nèi)、外油囊之間的傳油，液壓回路如圖1所示。液壓回路通過換向閥實現(xiàn)內(nèi)、外油囊之間的油量傳輸，所傳輸?shù)挠土客ㄟ^流量計獲得[4]。

當(dāng)油囊中的油液由內(nèi)油囊流向外油囊時，AUV的重力不變，排水體積變大，浮力增加；反之重量不變，排水體積變小，浮力減小[5]。

圖1 浮力調(diào)節(jié)單元液壓系統(tǒng)原理圖

2AUV定深控制

2.1 無模型反饋控制方法

無模型控制理論與方法是指控制器的設(shè)計僅利用受控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)，控制器中不包含受控過程教學(xué)模型的任何信息的控制理論與方法[6]。

無模型控制器是一種結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制器，打破了參數(shù)自適應(yīng)的限制，它的設(shè)計依賴的是“泛模型”：

式中：y(k)是系統(tǒng)的輸出；u(k)是系統(tǒng)的輸入；φ?(k)是特征參量；在此模型中能夠變化且實現(xiàn)自適應(yīng)的只有特征參量φ?(k)，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，φ?(k)是 y(k)關(guān)于 u(k-1)的梯度。

無模型控制的控制規(guī)律為：

式中：α是小正常數(shù)，限制了控制輸入的變化；ρ是控制的增益，也是靈敏度，它實際上是偏差y0-y(k)的放大或縮小倍數(shù)，初始值一般取成1。

無模型控制律的基本算法是由“泛模型”式（1）的辨識算法和基本控制算法式（2）在線交互進(jìn)行而組成的，從而實現(xiàn)辨識與控制的一體化[7-8]。

2.2 定深控制策略

在AUV入水后，調(diào)整AUV艏、艉外油囊的油量，使 AUV 處于負(fù)浮力狀態(tài)，即：ΔB=B-P＜0（B 為AUV浮力，P為AUV的重力），在此過程中，AUV以深度計作為反饋元件實時控制調(diào)整艏、艉外油囊的排油量以調(diào)整AUV在水中的姿態(tài)，從而使AUV能夠在設(shè)定的深度實現(xiàn)定深懸浮，控制原理圖如圖2所示[9]。

圖2 定深控制策略原理圖

AUV定深懸浮的實現(xiàn)不僅需要控制AUV的深度，同時還需要調(diào)整AUV的姿態(tài)。如果只對深度進(jìn)行控制，由于水流的變化，或者外界環(huán)境因素的干擾，很可能會使AUV出現(xiàn)大的縱傾而下潛，從而無法實現(xiàn)定深懸浮，深度和縱傾角復(fù)合控制邏輯如圖3 所示[10]。

圖3 深度和縱傾角復(fù)合控制邏輯圖

在此控制中，理想的目標(biāo)深度誤差即為（2）式中的控制器設(shè)定值y，AUV在定深過程中的實際深度即為y(k)，理想目標(biāo)深度即為系統(tǒng)輸入u(k)，深度計實時反饋AUV的實際深度，控制器通過不斷控制浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)外油囊油量，使AUV在目標(biāo)深度誤差范圍內(nèi)實現(xiàn)定深。

3 湖上試驗驗證

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)湖上試驗的主要目的是驗證浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可靠性，溫度對流量的影響，定深控制策略以及控制程序可行性。

3.1 試驗用AUV概況

2016年12月在杭州千島湖進(jìn)行了湖上試驗，基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的AUV是在在其艏艉配裝浮力調(diào)節(jié)艙段，浮力調(diào)節(jié)艙段的位置與原槽道推進(jìn)器位置相同，如圖4所示，AUV基本參數(shù)如表1。

表1AUV基本參數(shù)

圖4 AUV組成示意圖

3.2 溫度與流量的關(guān)系

環(huán)境水溫的大小、AUV工作時間的長短、AUV的工作深度等會使浮力調(diào)節(jié)單元液壓系統(tǒng)內(nèi)油液的溫度發(fā)生變化，油液溫度等對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的排油量有很大的影響[11]，液壓油的粘度對溫度的變化十分敏感，當(dāng)溫度升高時，液壓油分子的內(nèi)聚力減小，會使其粘度變小[12]。

為實現(xiàn)良好的使命規(guī)劃，需要準(zhǔn)確掌握溫度與系統(tǒng)流量的對應(yīng)關(guān)系，圖5為不同溫度下對應(yīng)的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量值，由此可知，隨著溫度的升高，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量不斷增大。通過所測得的溫度與流量對應(yīng)數(shù)據(jù)回歸出兩者之間的關(guān)系式為：

圖5 溫度與流量變化曲線

圖6為浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在10.2℃下的流量變化曲線，圖7為浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在14.6℃下的流量變化曲線。從兩種溫度下系統(tǒng)的流量變化曲線可以得知，溫度高時，系統(tǒng)的流量會增大，但是流量均值與圖5顯示的值有所差別，這是因為AUV在水下航行時，深度會對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量大小產(chǎn)生一定的影響。

圖6 10．2℃下浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量

圖7 14．6℃下浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量

3.3 定深懸浮驗證

AUV在定深3 m，10 m的過程中，艏、艉浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要同時工作，通過內(nèi)、外油囊之間的傳油，調(diào)整AUV在水下的浮力狀態(tài)，實現(xiàn)定深懸浮，圖8為定深3 m時AUV深度變化曲線；圖9為定深10 m時AUV深度變化曲線。

圖8 定深3 m時深度變化曲線

圖9 定深10 m時深度變化曲線

從定深3 m，10 m的深度變化曲線可以看出，定深3 m的過程中深度均值為3．20 m，均方差為0．45 m；定深10 m的過程中深度均值為10．40 m，均方差為0．40 m，兩種定深情況的誤差均在工程應(yīng)用允許的范圍之內(nèi)，因為系統(tǒng)流量、水流等都會對AUV的姿態(tài)產(chǎn)生影響，同時，由于AUV慣性大，從而影響定深的實現(xiàn)，小的深度誤差不可避免。依靠無模型反饋控制能夠使AUV實現(xiàn)定深懸浮，滿足工程需要，但是在定深過程中艏艉浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)外油囊的油量一直在變化，還沒有達(dá)到最理想的效果，外油囊油量變化如圖10所示。

圖10 定深3 m時艏艉外油囊油量變化

3.4 能耗情況比較

湖上試驗中，對配置槽道推進(jìn)器和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的AUV采用相同的控制方法分別進(jìn)行了定深懸停試驗。試驗結(jié)果表明浮力調(diào)節(jié)配置懸停精度低于槽道推進(jìn)器配置0．2 m左右，在工程允許范圍內(nèi)。

依靠浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)定深過程中主要的工作設(shè)備為液壓閥、電機(jī)和控制器；依靠槽道推進(jìn)器定深過程中主要的工作設(shè)備為推進(jìn)器和控制器。通過試驗測得的這些設(shè)備的工作電壓電流等參數(shù)，可以對比兩種定深方式的耗能情況，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 工作參數(shù)

由表2的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知，浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)所有工作設(shè)備的功率為120．96 W，小于槽道推進(jìn)器所有設(shè)備的功率194．4 W，因此，在相同的工作時間下，依靠浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)定深懸浮比依靠槽道推進(jìn)器更加節(jié)省能源。

4 結(jié)論

本文主要討論了油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、AUV定深懸浮、定深懸浮控制策略、溫度與流量關(guān)系以及湖上驗證。湖上試驗驗證了油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠取代槽道推進(jìn)器，AUV依靠艏、艉浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定深懸浮，定深3 m的均方差為0．45 m，定深10 m的均方差為0．40 m，誤差均在合理范圍之內(nèi)，滿足實際需要；同時，通過試驗可以驗證溫度對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量具有一定的影響，為系統(tǒng)的工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，具有很大的實用價值。

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比槽道推進(jìn)器，可以一定程度上節(jié)約能源，符合AUV的發(fā)展方向，試驗驗證了依托浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)定深懸浮的可行性，對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實用化具有很大的價值。從浮力調(diào)節(jié)單元外油囊油量變化曲線可以看到，此控制方法在實現(xiàn)定深的過程中仍在不斷地進(jìn)行油量調(diào)整，仍有繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化的余地，在以后的工作中在滿足任務(wù)需求的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化控制策略，最大限度地降低系統(tǒng)能耗，延長工作時間，提高系統(tǒng)性能。

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