基于BTT控制的无人水下航行器动力学模型

张翼超, 周徐昌, 沈建森, 石汉成



基于BTT控制的无人水下航行器动力学模型

张翼超1, 周徐昌1, 沈建森1, 石汉成2

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军蚌埠士官学校 兵器系, 安徽 蚌埠, 233012)

针对传统采用侧滑转弯(STT)控制技术的无人水下航行器(UUV)快速机动时由于侧滑产生较大诱导力矩及其自动驾驶仪三通道间产生较强的耦合而降低其控制系统稳定性的问题, 提出了采用倾斜转弯(BTT)控制技术的改进方法。根据UUV的航行动力学模型与倾斜转弯控制的特点, 对UUV空间动力学方程进行了必要的简化, 得到了基于BTT控制技术的UUV动力学模型, 并从自动驾驶仪设计的简便性出发, 提出了利用其法向过载作为状态变量的全状态可测量数学模型, 为进一步设计基于BTT控制技术的UUV控制系统提供参考。

无人水下航行器; 倾斜转弯; 动力学模型

0 引言

无人水下航行器(unmanned underwater vehi- cles, UUV)在海洋调查, 环境监测, 水下工程等民用及军用领域都有广泛的应用, 在UUV发展过程中, 其机动性是关键技术之一[1-2]。对传统的采用侧滑转弯(skid-to-turn, STT)技术[3]的UUV而言, 快速机动是通过较大的俯仰角及侧滑角提供相应的俯仰力矩与偏航力矩来实现的, 而侧滑 将引起UUV诱导力矩过大而降低稳定性, 同时快速机动致使自动驾驶仪各通道间产生强耦合而失去其合理性。倾斜转弯(bank-to-turn, BTT)是飞机与导弹常采用的控制技术[4-5], 但对UUV来说, BTT控制技术尚未引起人们的广泛关注。

采用BTT控制技术的UUV运动过程中, 滚动控制系统快速把最大升力面转到理想的机动方向, 同时俯仰控制系统控制UUV在最大升力面内产生需要的机动加速度[6]。

由流体动力学原理可知, 当UUV在最大升力面产生机动时, 不存在侧向机动或侧向机动很小, 即侧滑角为零度或近似零度, 其具有最佳稳定性。此时由于侧滑角产生的诱导力矩为零, 因此对UUV的最大攻角可以进一步放宽。此外, 对UUV进行滚动定位还可有效改善流体动力性能。BTT这一控制技术能大大提高UUV的机动能力, 达到良好的战术技术指标。

BTTUUV的外形和控制特点决定了其为一个具有运动学耦合、惯性耦合、流体动力耦合的控制作用耦合的多变量被控对象, 因此传统的三通道独立控制系统设计方案已不适用, 需用多变量控制方法设计其自动驾驶仪。因此, 对BTT UUV控制系统设计问题的研究成为BTT UUV研究中的关键问题之一, 但要解决其控制系统的设计问题, 必须首先建立BTTUUV的数学模型。

1 UUV的空间运动模型

UUV空间运动方程是研究UUV运动, 精确预报UUV空间运动轨迹的基础。但是, UUV空间运动方程的一般表达式十分复杂, 须对其进行必要的简化。

根据UUV的特点, 假定：

1) 流体动力满足线性假设;

2) UUV外形关于纵平面和横平面对称;

3) 不计UUV的惯性积项, 即J=J=J=J=J=J=J＝0;

4) 不计UUV航行过程中可能存在的质量及质量分布变化;

5) 重心位置y=z=0;

8)ω,ω为小量, 忽略2阶小量;

10) 重力矩和负浮力可以在导引律中得到补偿, 暂不考虑其影响。

根据文献[7], 得到UUV空间运动方程组, 如式(1)~(5)所示,可得空间运动方程的简化式

2 基于BTT控制的UUV数学模型

据文献[5], UUV的旋转角速度与姿态角关系

(7)

滚动通道的状态方程

俯仰通道的方程

偏航通道的方程

据式(9)~式(10), 俯仰与偏航通道状态方程

为简化表示, 将式(8)与式(11)~式(12)表示为

根据式(1)~式(5), UUV运动过程中, 作用在UUV上的力为

由于UUV法向过载可表示为

(20)

3 全状态可测量BTT UUV数学模型

不计流体惯性力[8], UUV法向过载可近似为

令

可得

(28)

舵机是自动驾驶仪的执行元件, 根据系统对舵回路的基本要求, 参考相关文献及试验数据, 本文选取的舵机, 忽略其非线性, 用等效的1阶惯性环节代替实际舵机, 其动态过程为

根据鱼雷俯仰-偏航通道数学模型式(30)~ (33), 取状态向量

输入信号

输出信号

则俯仰-偏航通道状态空间模型为

4 结束语

本文通过对所研究的BTT UUV实际对象的假设和简化, 建立了BTT UUV的动力学模型。并考虑到状态变量的可测量性和自动驾驶仪设计的简便性, 建立了全状态可测量的BTT UUV控制数学模型, 为进一步开展BTT UUV控制系统设计奠定了基础。

[1] Zhao S. Advanced Control of Autonomous Underwater Ve- hicles[D]. Honolulu: University of Hawaii, 2004: 8-10.

[2] Yuh J. Design and Control of Autonomous Underwater Robots: A Survey[J]. Autonomous Robots, 2000, 8(1): 7-24.

[3] 高旋, 周徐昌, 潘逊. 基于BTT的反鱼雷鱼雷控制技术[J]. 兵工自动化, 2010, 29(10): 79-81. Gao Xuan, Zhou Xu-chang, Pan Xun. Control Technologies of Anti-Torpedo-Torpedo Based on BTT[J]. Ordnance Indu- stry Automation, 2010, 29(10): 79-81.

[4] Uang H J, Chen B S. Robust Adaptive Optimal Tracking Design for Uncertain Missile Systems: A Fuzzy Approach[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2002, 126(1): 63-87.

[5] 林德福, 孙宝彩, 王江.∞理论在BTT导弹自动驾驶仪设计中的应用[J]. 系统仿真学报, 2010, 22(4): 991-995. Lin De-fu, Sun Bao-cai, Wang Jiang. BTT Autopilot Design Using∞Control Theory[J]. Journal of System Simulation, 2010, 22(4): 991-995…

[6] Gao Xuan, Zhou Xu-chang, Chen Guang. Roll Maneuver- ablity of ATT Based on BTT[C]//2011 International Confer- ence on System Design and Data Processing, 2011: 542-545.

[7] 李天森. 鱼雷操纵性[M]. 第2版. 北京: 国防工业出版社, 2007.

[8] 严卫生. 鱼雷航行动力学[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2005.

Dynamic Model of Unmanned Underwater Vehicle Based on BTT Control

ZHANG Yi-chao1, ZHOU Xu-chang1, SHEN Jian-sen1, SHI Han-cheng2

(1.Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Department of Weaponry, Bengbu Navy Petty Officer Academy, Bengbu 233012, China)

The stability of traditional unmanned underwater vehicle (UUV) is deteriorated because of the induced rolling moment generated by skid and the cross-coupling among three autopilot channels in high-speed maneuver, so a bank-to-turn (BTT) control method is proposed to improve UUV maneuverability. Appropriate simplification of the spacial dynamic model of UUV is made according to the characters of the UUV navigation dynamic model and BTT control, hence a BTT control-based UUV dynamic model is obtained. Moreover, the normal overload are taken as state variables, which can be measured easily, in order to simplify the design of the autopilot. The proposed model may be suitable for the design of the UUV control system based on BTT control technology.

unmanned underwater vehicle (UUV); bank-to-turn (BTT); dynamic model

TJ630.33

A

1673-1948(2012)01-0042-05

2011-06-12;

2011-06-28.

张翼超(1985-), 男, 在读博士, 研究方向为水下探测与控制.

(责任编辑: 杨力军)