潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

廖林堅 張明（中海輝固地學服務(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著海洋領(lǐng)域相關(guān)活動的不斷開展和海洋資源的不斷深入開發(fā)，各國深刻認識到海洋權(quán)益與資源的重要性，都在逐步加大海洋高新技術(shù)的投入力度，大力推進海洋探測設備及作業(yè)裝備技術(shù)的研發(fā)，潛水器作為其中重要的載體，在海洋勘察與開發(fā)中起著重要作用。潛水器，又稱水下運載器或水下機器人，是一種具有一定視覺功能和感知功能、可以通過遙控或者自主方式在海水中移動、使用工具、代替潛水員完成水下作業(yè)的設備，它綜合了操作控制、通訊、導航、數(shù)據(jù)傳輸與處理等多方面技術(shù)，是集機械、流體、控制、電子等多學科的綜合體。由于我國在潛水器領(lǐng)域的發(fā)展較晚，關(guān)鍵核心技術(shù)大部分掌握在國外的手中，隨著我國對海洋勘探與資源開發(fā)的需求日益增強，潛水器的研制開始得到更多關(guān)注和投入，國內(nèi)相關(guān)組織機構(gòu)的自主研發(fā)也取得了不少突破和應用，為我國深海開發(fā)與應用提供了強有力的技術(shù)支持。本文主要在查閱相關(guān)文獻的基礎上對國內(nèi)外潛水器的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進行概述，旨在為同行開展相關(guān)研究提供思路和借鑒。

1 潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于海上環(huán)境復雜多變，潛水器的工作環(huán)境復雜而危險，因此其在航行與作業(yè)中的安全性與穩(wěn)定性就顯得非常重要，借助完備的數(shù)學模型和先進的控制策略設計潛水器外形與布局和控制系統(tǒng)對確保潛水器在水下安全高效的作業(yè)起著關(guān)鍵作用。查閱目前近幾年國內(nèi)外相關(guān)文獻可知，目前科學界關(guān)注的技術(shù)重點主要有潛水器運動控制技術(shù)、動力控制分配技術(shù)、水動力系數(shù)預報研究等，下面對這幾種關(guān)鍵技術(shù)進行匯總分析。

2 潛水器運動控制技術(shù)

關(guān)于潛水器運動控制理論與算法，目前常用的主要包括PID控制及改進的PID控制、滑?？刂?、自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、魯棒控制、反步法、二次型最優(yōu)控制等理論，這些理論在控制器里有的是單獨應用，有的是兩個控制算法綜合使用，這里介紹幾種主要的常用控制理論。

PID 控制一般是線性控制，控制效果主要取決于動力系統(tǒng)的線性化模型的精度，由于海上環(huán)境的復雜性和不確定性，潛水器受復雜水流的影響較大，具有動態(tài)的時變性和非線性，這使得PID控制受到很大限制，因此研究人員開始開發(fā)更先進的PID控制器，如將模糊控制加入PID控制器，使用蟻群算法在線優(yōu)化PID 控制器參數(shù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡控制與PID 控制結(jié)合起來實現(xiàn)PID控制器的自校正等。

滑模控制最早是由蘇聯(lián)科學家提出，發(fā)展至今已形成較為完整的理論體系，其突出特點是滑動模態(tài)對系統(tǒng)攝動和外部干擾的不變形，缺點是存在非線性引起的自振，如Wallace M Bessa 等設計的自適應模糊滑?？刂破鳎梢詫撍麟?液系統(tǒng)進行精準控制。

自適應控制是在線估計不確定的被控對象參數(shù)，并在控制器中使用這個估計值，常用的方法是模型參考自適應控制和間接自適應控制，如潛水器機械手的作業(yè)系統(tǒng)存在不確定性和有外界未知干擾問題，可以采用基于最小二乘法估計的自適應控制策略完成局部區(qū)域的跟蹤控制任務。

模糊控制理論是以模糊數(shù)學為基礎，用語言規(guī)則表示控制方法，借助模糊推理進行決策，目前是人工智能領(lǐng)域應用最廣泛的控制理論，也有學者開始將模糊控制策略用于潛水器的運動控制，這種控制策略不需要特別精確的數(shù)學模型就可以實現(xiàn)對不確定性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的控制，抗干擾能力較強，但語言規(guī)則限制了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性。

3 動力控制分配技術(shù)

動力控制分配策略最初主要應用于船舶的動力定位系統(tǒng)，隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展與成熟以及各種智能優(yōu)化算法的深入應用，動力控制分配逐步在航天器系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、海上浮式平臺系統(tǒng)和潛水器運動控制系統(tǒng)等各個領(lǐng)域使用。潛水器運動控制分配系統(tǒng)主要包括動力控制分配技術(shù)與運動控制算法，二者共同確保潛水器安全高效地在水中航行與工作，其中動力分配控制主要是根據(jù)所給定的約束條件，以最小能耗為目標合理分配各個推進器的推力，目前控制分配算法主要有偽逆法、直接分配法、基于數(shù)學規(guī)劃的優(yōu)化算法、動態(tài)控制分配、多目標優(yōu)化等。

偽逆法主要適用于推進器不存在矢量布置角度優(yōu)化時的情況，由于其無法對矢量夾角進行優(yōu)化，因此在全自動控制系統(tǒng)中難以使用此算法?；跀?shù)學規(guī)劃的優(yōu)化算法是把優(yōu)化問題離散成等效的凸規(guī)劃序列，這種序列可以迭代，從而求出最優(yōu)解，這種算法主要適用于小規(guī)模的非線性約束的最優(yōu)化問題。動態(tài)控制分配算法是從控制算法解算的期望值出發(fā)，實時分配期望值給各個推進器，使推進器實際輸出與期望值盡可能相吻合，這種算法可以在冗余的情況下解決一定約束條件下的最優(yōu)化分配問題，同時提高系統(tǒng)的故障容錯能力。

4 水動力系數(shù)預報研究現(xiàn)狀

潛水器由于是完全浸泡在在幾百米甚至是幾千米的海水中作業(yè)，因此一般在研究時不考慮自由液面對其運動的影響，在水中進行常規(guī)懸停操作作業(yè)或勻速緩慢的觀察作業(yè)時，只考慮粘性水動力作用，而在做加速或減速運動時則要考慮加速度帶來的附加質(zhì)量的影響，潛水器的水動力系數(shù)目前常用的測算方法有經(jīng)驗公式法、CFD仿真計算法、系統(tǒng)辨識法、拘束或自航模型試驗法等。

由于潛水器自身結(jié)構(gòu)形式多樣，上面還安裝各種監(jiān)視器和傳感器，目前還沒有足夠的資料可以支持水動力系數(shù)的真實值計算，大部分情況下靠經(jīng)驗公式進行估算，由于這種計算方法的精度和適用性相對較差，在一些多方案優(yōu)化選型中無法推廣使用。CFD 流體仿真對于幾何外形較為規(guī)則及流線型外形的潛水器的適用性較強，但絕大多數(shù)的潛水器都屬于非規(guī)則外形的結(jié)構(gòu)，再加上潛水器上的各種附件，因此這種仿真算法受到很大限制。系統(tǒng)辨識法主要用于潛水器在實際航行中對水動力系數(shù)進行修正處理，而不能用于潛水器設計階段的水動力系數(shù)計算。目前最有效的方法是通過拘束或自航模型試驗來獲取水動力系數(shù)，但是試驗會耗費大量時間和金錢，由于所得數(shù)據(jù)準確性和有效性較高，因而也是目前最受青睞的水動力系數(shù)測算方法。

5 結(jié)語

本文主要對國內(nèi)外潛水器的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進行概述，目前科學界關(guān)注的技術(shù)重點主要有潛水器運動控制技術(shù)、動力控制分配技術(shù)、水動力系數(shù)預報研究等，其中潛水器運動控制技術(shù)主要包括PID控制及改進的PID控制、滑模控制、自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、魯棒控制、反步法、二次型最有控制、線性矩陣不等式等控制理論，動力分配控制算法主要有偽逆法、直接分配法、基于數(shù)學規(guī)劃的優(yōu)化算法、動態(tài)控制分配、多目標優(yōu)化等。潛水器的水動力系數(shù)常用的測算方法有經(jīng)驗公式法、CFD 仿真計算法、系統(tǒng)辨識法、拘束或自航模型試驗法等。由于海上環(huán)境復雜多變，潛水器的工作環(huán)境復雜而危險，這些關(guān)鍵技術(shù)在潛水器領(lǐng)域的研究與應用目前來看都是相對分散的，還處于不斷試驗和經(jīng)驗總結(jié)階段，未形成系統(tǒng)化理論，隨著各項關(guān)鍵技術(shù)在各個領(lǐng)域的同步發(fā)展與相互促進，未來潛水器的設計與開發(fā)會更加智能，水下作業(yè)會更加安全高效。