基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法

陈世利，卫 民，李一博，张震宇(. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 30007；. 威斯康辛州立大学拉克罗斯分校软件工程学院，威斯康辛州 5460)

基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法

陈世利1，卫 民1，李一博1，张震宇2
(1. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2. 威斯康辛州立大学拉克罗斯分校软件工程学院，威斯康辛州 54601)

水下无人自航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)在对海洋环境进行勘查与测量时，实际航迹与目标航迹的偏差要求控制在一定精度范围内．在传统常采用的航向单闭环方法控制下，基于矢量推进器的AUV在高速转向时存在航迹跟踪效果差的缺点．针对这一问题，设计了一种双闭环自适应转向运动控制方法．该方法基于矢量推进器机动性强的特性，在AUV转向时将航向控制闭环和航速控制闭环设计成双闭环，调整航向的同时依据航向环偏航角差实时控制航速环 AUV转向目标速度．理论分析和实验证明：在AUV转向时，该控制算法可以更好地实现航迹跟踪，实际航行轨迹与目标航迹的最大偏差可以控制在10,m以内．

水下无人自航行器；矢量推进器；转向；航迹跟踪；双闭环

水下无人自航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)是一种与母船没有任何物理连接，依靠自身携带的动力来自主航行的一种全新水下机器人．它具有活动范围广、自动化能力强及运行噪声小等特点，在海洋环境测量和军事方面具有重要应用价值[1-3]．目前AUV推进系统主要采用两种推进技术：基于非矢量技术和基于矢量技术．相对于传统的、应用较成熟的非矢量推进器，矢量推进器具有操纵性和机动性能强的特性．从国内外AUV发展状况来看，矢量推进器在AUV领域已被实际应用，具有较好的应用前景[4-5]．

AUV在进行海底勘查与测量时，决策者需要制定合理的局部路径规划策略使AUV能够按照目标航迹进行海底扫描测量．一旦控制策略不当造成实际航迹与目标航迹偏差过大，勘测时就会出现盲区，造成重大损失．笔者课题组在设计AUV时性能指标要求实际航迹与目标航迹偏差的最大偏差不能超过10,m．对于基于矢量推进器的AUV，为控制其在固定深度或高度沿目标航迹航行，国内外广泛采用航向闭环PID控制方法[6-7]．当AUV直线行驶时，由于矢量推进器水平摆角动作幅度较小，传统采用的航向闭环控制器可以达到偏差控制要求．但当AUV保持既定的高任务目标速度航行转向时，由于需要调节的偏航角较大，而矢量推进器水平最大摆角有限，笔者课题组通过近些年实验发现传统采用的航向闭环PID控制方法不足以控制AUV较好的转向，会导致转向偏差d偏大，转向时间t偏长，超出了最大允许范围．因此，为解决在传统的航向单闭环方法控制下AUV高速转向时存在航迹跟踪效果差的问题，针对矢量推进器，笔者设计了一种可以大幅度减小AUV转向偏差、转向时间，从而可以改善转向航迹跟踪效果的新型双闭环运动控制算法．本文首先从理论上对矢量推进器转向特性进行了分析，然后在此基础上对双闭环控制方法进行了设计，最后在云南抚仙湖进行了湖试实验，检验该方法的转向航迹跟踪效果，并和常规航向单闭环控制算法进行了对比，证明本方法在转向时可以控制AUV获得良好的航迹跟踪效果．

1 矢量推进器转向特性分析

图1为AUV转向示意．

图1 AUV转向示意Fig.1 Schematic diagram of AUV steering

矢量推进器的突出特点是靠转向电机摆动从而改变主推进器的推进方向，使AUV获得一定转向力矩．图2为笔者课题组设计的AUV矢量推进器左右摆动图．

为研究矢量推进器的转向特性，假设大地为惯性坐标系，AUV为常质量刚体，不考虑洋流影响，研究AUV在固定深度或高度水平转向问题，故笔者只考虑AUV做水平面运动情况，建立如图3所示的坐标系．

图2 矢量推进器摆动示意Fig.2 AUV vectored thruster swing figure

分析AUV的整体受力，可以推导出AUV转向时动力学方程[8-9]为

式中：F(n)为矢量推进器产生的推力；n为螺旋桨转速；Φ为AUV矢量推进器转向摆角；L为主推力分量到AUV重心O的距离；ω为AUV转向角速度；T(ω)为AUV转向时所受到的阻力力矩；I为AUV的转动惯量；β为AUV转向角加速度；Iβ为转向力矩．根据螺旋桨理论，螺旋桨在水下受到的推力为

式中：KT为推力系数，是与进速比JO相关的函数；ρ为海水密度；D为桨叶直径．

由式(1)和式(2)可知，矢量推进器转向时需要的转向力矩和AUV线速度v无关．区别于传统带鳍叶靠流体动力转向的非矢量推进器，基于矢量推进器的AUV在航行线速度很低时，也可以很好地完成转向．

2 双闭环控制方法设计

从矢量推进器转向特性分析可知，矢量推进器转向力矩与AUV线速度无关，低速转向好．对比传统仅靠航向PID控制器控制AUV转向的方法，笔者设计如下自适应双闭环算法．该方法原理是利用矢量推进器低速转向好的性能优势，在AUV转向时将航向控制闭环和航速控制闭环设计成双闭环，通过航向环偏航角差去控制航速环AUV目标速度，AUV转向调整航向的同时依据偏航角差的大小实时调节AUV转向目标航速．双闭环控制策略如图4所示．

图4 双闭环控制策略示意Fig.4 Heading/speeding control strategy diagram

图4 中航向环输入变量为AUV期望的偏航角，输出变量为AUV矢量推进器转向角，反馈变量为AUV当前偏航角．航速环输入量为AUV目标线速度，输出作用对象为AUV矢量推进主电机，从而可以改变AUV线速度，反馈变量为AUV当前线速度．转向时航向环偏航角差和航速环输入变量AUV目标速度关系为

式中：vT为转向前一时刻AUV任务目标速度；Δθ为目标航向角与当前航向角的差值；vP是随着航向偏差角差Δθ变化而不断调整的AUV转向目标速度；c为速度调整系数，该系数大小与偏航角相关．为了使AUV转向时速度逐渐下降，从而不损坏AUV的整体机械性能且不使问题复杂化，使转向目标速度随着偏航角的变化呈线性变化．

图5所示为Δθ和系数c的函数关系．

(1) 当0＜|Δθ|≤5°时，由于偏航角比较小，转向时AUV目标速度不做改变，此时c=1．由式(3)计算可得AUV在此偏航角范围内转向时航速环的输入变量为转向目标速度，即

(2) 当30°＜|Δθ|≤180°时，由于偏航角过大，此时根据偏航角差Δθ的变化，实时控制航速环主推电机，迅速降低AUV目标速度．为使其低速转向，定c= k，k在0～1范围内．由式(3)计算可得AUV在此偏航角范围内转向时航速环输入变量转向目标速度，即

(3) 当5°＜|Δθ|≤30°时，偏航角超出5°，此时需要实时逐渐减小AUV目标速度，为使航速随着偏航角的增大线性减小，c将从1到k线性减小．由式(3)和图5计算可得AUV在此偏航角范围内转向时航速环输入变量转向目标速度，即

根据以上方法分析可知，当AUV遇到转弯开始转向时，航向和航速控制形成双闭环．转向完成整个过程中，航向控制器的调节使偏航角差逐渐减小，系数c从k到1线性变化，相应的航速闭环也在不断调节航速，使矢量推进器随着偏航角差的变化以不同的低速转向．转向完成后，随着偏航角差逐渐减小到零附近，航速环输入量又相应地调节到任务目标速度．

图5 系数c与|Δθ|的变化关系Fig.5 Relationship between c and |Δθ|

3 实验验证

本实验AUV长度6.9,m，直径800,mm，排水量1,400,kg，续航时间22,h(4节速度)，预计下水深度3,000,m．笔者课题组于2012年1月在云南抚仙湖进行了湖试实验，在实物控制系统上对上述双闭环控制方法进行了验证．整个控制系统由甲板系统、主控系统、矢量推进控制系统、导航控制系统以及传感器系统组成[10]．图6所示为湖试实验现场．

图6 AUV湖试实验现场Fig.6 Lake experiment of AUV

3.1 AUV不同线速度转向对比实验

为了进一步验证基于矢量推进器的AUV低速转向效果更好，笔者进行了如下实验：使AUV在水面运行，通过航速PID控制器调速，使用多普勒计程仪(DVL)来测量当前AUV线速度，当AUV达到不同的线速度要求后，使AUV匀速行驶，然后发出转向命令使其在常用弓字型路径90°弯转向，其转向偏差和转向时间对比如表1所示．

表1 不同v值转向偏差时间表Tab.1 Steering deviation and steering time of different v

从实验结果看出，当AUV航速从1.8,m/s降到0.3,m/s时，基于矢量推进器的AUV不会因为速度过小而无法转向，并且转向偏差和转向时间减小明显．

3.2 弓字型路径90°转向对比实验

图7 双闭环控制方法和常规航向PID方法对比Fig.7 Comparison of double-loop control method and traditional PID

为了验证双闭环控制方法转向效果更好，笔者初步设定k=0.5，在路径规划常选用弓字型路径上进行了实验对比．即使AUV先下潜到预定高度，然后按照图7所示的弓字型路径扫描海底地形地貌，选定航向PID控制器比例参数为1.0，积分参数为0.1，航速PID控制器比例参数为1.5，积分参数为0.5．分别使用常规航向PID控制方法和双闭环控制方法使AUV在弓字型路线行驶，实验运行结果如图7所示.

从AUV采用两种控制方法在弓字规划路径行驶情况可以看出，采用双闭环控制方法在90°转向时航迹跟踪效果明显得到改善．

3.3 系数c选定实验

双闭环控制方法中设计30°＜|Δθ|≤180°时，令c=k，k在0～1范围内．为了验证k取何值时，AUV转向效果最好，笔者进行了如下实验：采用双闭环控制方法，当AUV在弓字型路径上90°转弯且k取不同值时，记录其转向偏差和转向时间．不同k值转向偏差时间表如表2所示．

表2 不同k值转向偏差时间表Tab.2 Steering deviation and steering time of different k

从实验结果可以看出，当k=0.8时，由于AUV速度比较大，导致其转向偏差和转向时间比较大．当k逐渐减小时，转向偏差和转向时间也逐渐减小．但k从0.1变化为0时，其转向偏差和转向时间变化比较小，考虑到k=0时，需要关闭主推进器，造成推进器的频繁启动，会导致能源浪费，故从工程上考虑取k=0.1．

3.4 多角度转向对比实验

取k=0.1．双闭环控制算法在常用弓字型路径90°转向时航迹跟踪效果明显改善后，笔者将双闭环控制算法应用在多角度转向，两种算法在不同转向角度转向偏差和转向时间对比如表3所示．

表3 多角度转向偏差时间对比Tab.3 Comparison of steering deviation and steering time at different steering angles

图8给出了双闭环控制方法和常规控制方法下转向偏差的统计结果．

实验结果表明，应用双闭环控制算法在不同角度转向时转向偏差和转向时间都得到了大幅度的减少；并且随着转向角度的增加，应用双闭环算法时转向偏差减小得更明显．

图8 转向偏差统计结果Fig.8 Chart of steering deviation

4 结 语

理论分析和实验证明，双闭环自适应运动控制方法可以有效地解决基于矢量推进器的AUV在高速转向时转向偏差大、转向时间长的问题．对不同期望转向角，该算法都可以控制AUV很好地实现轨迹跟踪，并且转向角度越大，使用该控制算法效果越好．

［1］ Blidberg D R. The development of autonomous underwater vehicle(AUV)：A brief summary[C]//International Conference on Robotics and Automation. USA，2001：3-4.

［2］ Kirkwood W J. AUV technology and application basics[C]//OCEANS 2008-MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean. Kobe，Japan，2008：15-30.

［3］ 蒋新松，封锡盛，王棣棠. 水下机器人[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2000. Jiang Xinsong，Feng Xisheng，Wang Ditang. Underwater Robots[M]. Shenyang：Liaoning Science and Technol ogy Publishing House，2000(in Chinese).

［4］ Le Page Y G，Holappa K W. Simulation and control of an autonomous underwater vehicle equipped with a vectored thruster[C] //OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition. Providence，RI，USA，2000：2129-2134.

［5］ Cavallo E，Michelini R C. Conceptual design of an AUV equipped with a three degrees of freedom vectored thruster [J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems，2004，39(4)：365-391.

［6］ Wang Bo，Su Yumin，Wan Lei，et al. Adaptive PID control system for an autonomous underwater vehicle [J]. High Technology Letter，2011，17(1)：7-12.

［7］ Chen Qiang，Chen Tao，Zhang Yong. Research of GA-based PID for AUV motion control[C]//Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Changchun，China，2009：4446-4451.

［8］ 潘存云，郭克希，杨 俊，等. 水下矢量推进器的动力学分析[J]. 机械设计与研究，2010，26(5)：20-23. Pan Cunyun，Guo Kexi，Yang Jun，et al. Dynamics analysis and research of vectored thruster with propeller under the deep sea[J]. Machine Design and Research，2010，26(5)：20-23(in Chinese).

［9］ 李殿璞. 船舶运动与建模[M]. 北京：国防工业出版社，2008. Li Dianpu. Ship Motion and Modeling[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2008(in Chinese).

［10］ 蒋 辰，靳世久，李一博，等. 嵌入式ARM在基于以太网的AUV控制系统中的应用[J]. 现代科学仪器，2011(6)：74-77. Jiang Chen，Jin Shijiu，Li Yibo，et al. The application of ARM in the control system of AUV based on Ethernet[J]. Modern Scientific Instruments，2011(6)：74-77(in Chinese).

(责任编辑：赵艳静)

Steering Control Strategy of AUV with Vectored Thruster Based on Double-Loop Mode

Chen Shili1，Wei Min1，Li Yibo1，Zhang Zhenyu2
.(1. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Software Engineering，University of Wisconsin-Lacrosse，Wisconsin 54601，The United States)

Autonomous underwater vehicle(AUV)should have the ability to control the deviation of the actual navigation trajectory and target track within a limited range when surveying the seabed. Based on a lot of AUV running experiments in the past，it is known that with the traditional PID control method, AUV often has such shortcomings as large steering deviation and long-time navigation when turning along the target track. So according to AUV steering characteristics，this paper proposes a new method of adaptive double-loop PID. This method is based on the lowspeed steering characteristic of vectored thruster. It can adjust the AUV speed according to different yaw anglesin real time when AUV turns the rudder angle. Theoretical analysis and experiments show that this method can effectively settle the problems of large steering deviation and long-time navigation when AUV turns along the target track. The maximum deviation of the actual navigation trajectory and target track can be controlled within 10,m.

autonomous underwater vehicle；vectored thruster；steering；path tracking；double-loop

TP242.3

A

0493-2137(2014)06-0530-05

10.11784/tdxbz201209062

2012-09-22；

2012-10-17.

国家自然科学基金资助项目(60974110，61201039)；国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51004076)；天津市应用基础及前沿技术研究资助项目(10JCYBJC07100).

陈世利（1973— ），男，副教授，slchen@tju.edu.cn.

李一博，slyb@tju.edu.cn.