水下機器人運動(dòng)控制系統設計與實(shí)現

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(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(dòng)學(xué)模型，設計了ROV閉環(huán)定向控制系統?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PID控制">PID控制方法，進(jìn)行了Simulink數學(xué)仿真和模擬閉環(huán)仿真，計算機仿真試驗表明，系統能夠較快地穩定到設定值，能夠滿(mǎn)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(shí)間長(cháng)等特點(diǎn)成了替代人類(lèi)作業(yè)最好的工具。在海洋開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應用。水下機器人是一個(gè)強非線(xiàn)性系統，各個(gè)自由度的運動(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，給控制器的設計帶來(lái)困難^[1]。建立ROV普遍、規范、實(shí)用的數學(xué)模型是對其進(jìn)行控制研究的前提。數學(xué)模型過(guò)于復雜會(huì )導致控制系統的復雜，實(shí)現難度較大;而模型過(guò)于簡(jiǎn)單，則不能反映系統真實(shí)的運動(dòng)過(guò)程，導致其控制性能的下降^[2]。雖然在ROV航行過(guò)程中，各自由度的運動(dòng)會(huì )發(fā)生相互耦合現象，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)系一般都不復雜,但仍存在差異^[3]?？梢赃M(jìn)行各個(gè)自由度解耦，而在每一個(gè)自由度上設計一個(gè)控制器，然后再通過(guò)推力分配，實(shí)現對ROV的航行控制。本文以定向控制為重點(diǎn)，研究了控制器的設計過(guò)程，并對控制效果進(jìn)行仿真和模擬驗證。

1 ROV運動(dòng)學(xué)模型建立

1.1 參考坐標系

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

　　固定坐標系的原點(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。運動(dòng)坐標系的原點(diǎn)一般取為ROV上的一點(diǎn)，x軸與ROV主對稱(chēng)軸一致，y軸與ROV輔助對稱(chēng)軸一致，z軸按照右手定則選取，如圖1所示。

　　由于運動(dòng)坐標系不是慣性坐標系，在分析ROV運動(dòng)情況的時(shí)候，應當先在地面坐標系中建立運動(dòng)方程，然后轉換到運動(dòng)坐標系中。地面坐標系到運動(dòng)坐標系轉換的變換矩陣為^[5]：

1.2 空間運動(dòng)方程

　　ROV在水下做6自由度的空間運動(dòng)，具體定義如下^[6]：進(jìn)退：沿x軸正向為前進(jìn)，沿x軸反向為后退;側移：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：以z軸為中心的轉動(dòng)，艏向右轉為正，左轉為負;橫搖：以x軸為中心的轉動(dòng)，右傾為正，左傾為負;縱傾：以y軸為中心的轉動(dòng)，抬艏為正，反之為負。水下機器人在6個(gè)自由度上的運動(dòng)方程為^[7]：

　　忽略相互垂直面內的運動(dòng)耦合，運動(dòng)方程可化簡(jiǎn)為^[8]：

　　如果ROV重心和運動(dòng)坐標方程原點(diǎn)重合，則其運動(dòng)方程又可化簡(jiǎn)為：

2 水下機器人航向閉環(huán)控制系統設計及仿真試驗

2.1 航向閉環(huán)控制結構

　　航向控制系統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(shí)際航向角和設定航向角的偏差作為閉環(huán)輸入，通過(guò)PID調節后輸出控制電機的電壓，疊加至上位機操作機構發(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，使它保持設定的航向，回路控制結構如圖2所示。

2.2 ROV轉向運動(dòng)傳遞函數

　　ROV水平面內推進(jìn)器為環(huán)形分布，在進(jìn)行航向調節時(shí)，假設推進(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：