“海箏Ⅱ型”遙控自治水下機器人的運動控制研究＊

（中國船舶科學研究中心 無錫 214082）

1 引言

伴隨全球經濟、科研活動的加劇，地球的陸地資源正在銳減，有朝一日終將挖掘殆盡。地球表面60%以上是海洋，海洋中蘊藏著比陸地更豐富的自然資源。因此加速發展我國海洋高新技術，特別是對深海探測、運載與作業裝備的研發，使我國的崛起在能源、資源、國土安全等諸多方面有所保障，確保我國經濟長期可持續發展，具有十分重要的現實意義和深遠的歷史意義［1］。

海洋資源的勘探和開發離不開水下機器人，依據其控制方式可分為有纜遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和無纜自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）兩個大類。ROV 依靠臍帶纜接收來自水面提供的動力等，其特點是輕便、簡單、可靠、作業能力強，技術復雜程度相對簡單。但是，ROV 依靠臍帶纜的同時，也受制于臍帶纜。被不明物體刮碰、纏繞而造成的惡性事故在ROV 實際使用時頻頻發生。針對ROV 不足而研制的AUV，取消了臍帶纜，依靠自備電源航行，活動范圍將不受限制，不需要復雜的水面支持系統，可以潛得更深。但是AUV 需要智能控制體系，配置導航定位系統、決策規劃系統、目標探測系統、水下通訊系統等，AUV 對所使用的技術提出了更高、更復雜的要求［2～3］。

介于ROV 和AUV 之間的是混合型水下機器人，日本海洋科學與技術中心（JAMSTEC）研制的UROV7K［4］、美國研發了“海神”號（Nereus）HROV［5］均屬于此類型。我國科研人員從集ROV與AUV 兩者優點于一體的思路開展研究，中國船舶科學研究中心提出了遙控自治水下機器人（Autonomous ＆Remotely-operated Vehicle，ARV）的研制方案，自主研制出了“海箏Ⅱ型”ARV。它具有自主、遙控、監控三種模式供復雜環境下適時選用，自帶能源并通過光纖與母船聯系，可以在中等范圍內進行搜索、定點觀測及水下輕度作業［6］。

2 總體性能

“海箏Ⅱ型”ARV 表面布置復合材料輕外殼，單體為扁平式流線型外形，如圖1所示。

“海箏Ⅱ型”ARV最大工作深度可達300m，最大航速為3節。自帶鋰電池，能在水下工作6h，巡航里程達10km。主尺度為：1．2m＊0．5m＊0．25m。

3 運動模型

水下機器人是一個復雜的強非線性系統，在水下工作時不可避免地會受到各種力、力矩的綜合作用。建立“海箏Ⅱ型”ARV 的水下運動模型就是抽象出其工作時的動力學力學模型，并借助于該模型對“海箏Ⅱ型”ARV 實施精確控制。因此，一組由動力學力學模型所描述的水下機器人空間運動方程，對研究水下機器人控制問題非常重要。為了將問題簡化，作如下假設：如果水下機器人在航行過程中只改變航向，不改變深度，則其重心只在水平面內運動；如果只改變深度，不改變航向，則其重心只在垂直面內運動。作以上假設后，水下機器人的運動位移、運動速度就可以視為水平面內和垂直面內的運動矢量合成，兩種運動之間的耦合影響可以忽略不計。現作如下討論：

1）水平面運動討論

艏向控制方程轉化為

其中，、Iz為水下機器人的質量m對Oz軸的轉動慣量，、MTz為繞Z軸的轉動力矩。

2）垂直面運動討論

在不考慮縱傾角控制的情況下，深度方向上的方程為

其中，m為水下機器人的質量，z為深度方向上的位移，Tz為垂向推力。

4 運動控制

考慮到“海箏Ⅱ型”ARV 的結構和運動時變性，以及環境的不確定性，采用PID 控制與模糊控制相結合的控制方法。即在常規PID 控制器的基礎上，利用模糊邏輯推理方法，在線整定PID控制器參數，使控制系統既具有PID 控制精度高的優點，又具有模糊控制適用性強和魯棒性好的優點［7～8］。

“海箏Ⅱ型”ARV 的自動控制中包括了定向控制和定深控制。在忽略水平面和垂直面耦合的影響下，分別設計兩個單獨的模糊PID 控制器來實現水下機器人的自動定深控制和自動定向控制。這種設計方法既保證了控制器的設計精度，又降低了控制器的設計難度。

4．1 模糊-PID 控制器工作原理

ARV 用于艏向控制的傳感器為光纖陀螺，用于垂向控制的傳感器是壓力傳感器。在控制過程中，將輸入偏差和偏差變化率作為控制器的兩個輸入，用e、表示，經由模糊邏輯推理器處理，得到PID 控制器三個參數的調整量，從而實時地修正控制器參數。而得到電機所需的控制量能控制推進器的轉速來實現ARV 的自動定深和定向。其原理圖如圖2所示［9］。

圖2 定深和定向控制的模糊-PID 控制原理圖

圖中，r、y分別為給定輸入和輸出；e、分別為誤差和誤差的變化；KP、KI、KD分別為用于整定PID 控制器的模糊控制輸出，它們分別調整PID 控制器的比例、積分和微分系數。

4．2 模糊PID 控制算法實現

模糊PID 控制器設計的核心是建立適用的ΔKP、ΔKI、ΔKD模糊查詢表，用于PID 三個控制參數KP、KI、KD的在線調整。

1）設定輸入、輸出量的基本論域。

2）設定e、和ΔKP、ΔKI、ΔKD的離散論域，且分別對應七個模糊集合。

3）選擇e和的隸屬度函數為高斯分布，其中σ取1．184；選擇ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數為對稱的三角形函數。進而可得，e、和ΔKP、ΔKI、ΔKD對各個模糊集合的隸屬度值。

4）根據“海箏Ⅱ型”ARV 的控制特點，結合工程技術人員的實際操作經驗和專家建議，歸納出參數ΔKP、ΔKI、ΔKD的自整定相關規則，得到三個參數的模糊控制規則表。

5）模糊推理采用強度轉移法，推理過程有以下三步：

（1）計算前件語言變量的強度

設輸入變量e＝α，＝β，其中α、β為精確量。從隸屬度函數中可以看出α、β分別對應幾個語言變量，假設α、β分別對應的語言變量為A1、A2 和B1、B2，則隸屬度值表示為：μA1（α），μA2（α），μB1（β）和μB2（β）。每一條控制規則所對應的強度為

（2）計算后件結果

在每條模糊規則中，把精確量（α、β）對前件（A1、A2和B1、B2）的作用強度加到后件（控制量u）上，然后計算對后件模糊量的隸屬度。設后件u對應的模糊集合為Ci，模糊規則的推理結果為：控制量隸屬度函數中隸屬于模糊集合Ci且隸屬度為ωi的對應值xi，見式：ωi＝μCi（xi），i＝1，2，3，4。

（3）反模糊化

從輸入量的精確值α、β和相關的模糊規則中，可以得到每條規則對應的推理結果x1、x2、x3、x4，最后用重心法計算控制量的精確值，見下式：

由ΔKP、ΔKI和ΔKD的控制規則運算可以得到參數的模糊查詢表，系統根據某時刻的采樣值，經過模糊化后查詢模糊查詢表，直接得出輸出控制量的量化值。PID 控制器三個參數的模糊查詢表如表1～表3所示。

表1 ΔKP 的模糊查詢表

表2 ΔKI 的模糊查詢表

表3 ΔKD 的模糊查詢表

圖3 ARV 定深控制的仿真模型

6）按下式計算出PID 控制器的各個參數：

其中，a、b、c為參數調整因子。實驗過程取a＝0．12，b＝0．05，c＝0．01。

5 仿真與試驗驗證

5．1 仿真結果分析

在Matlab／Simulink 軟件中建立“海箏Ⅱ型”ARV 的定深和定向控制的仿真模型。ARV 定深控制的傳遞函數G（s）＝，PID 控制器控制參數的初始值分別為：Kp0＝3．428，Ki0＝0．513，Kd0＝3．172。

采樣周期為50ms，預定下潛深度為5m，ARV初始深度為0m，得到傳統PID 控制器和模糊PID控制器的深度響應曲線，如圖4和圖5所示。

艏向控制的仿真模型與深度控制的類似，也是由模糊PID 控制器組成，艏向控制的傳遞函數為PID 控制器控制參數的初始值分別為：Kp0＝10．76，Ki0＝0．476，Kd0＝1．864。

圖4 模糊PID 控制器的定深控制仿真曲線

圖5 傳統PID 控制器的定深控制仿真曲線

圖6 模糊PID 控制器的艏向控制仿真曲線

圖7 傳統PID 控制器的艏向控制仿真曲線

采樣周期為50ms，預定艏向角為180°，ARV初始角度為0°，得到傳統PID 控制器和模糊PID控制器的艏向角響應曲線，如圖6和圖7所示。

通過對比可以發現，模糊PID 控制器比傳統的PID 控制器具有更小的超調量，而且響應速度更快，對水下機器人這樣的非線性系統有很好的控制，符合深度方向的控制要求。

5．2 試驗驗證

1）水池試驗

對“海箏Ⅱ型”ARV 進行了水池試驗，主要是驗證水下機器人的運動控制性能。從圖8～圖10中可以看出，該型ARV 在定深控制和定向控制中有很好的穩定性和動態性能。

圖8 模糊PID 控制器的定深曲線圖

圖9 模糊PID 控制器的定向曲線圖

圖10 ARV 湖上試驗任務剖面

2）千島湖試驗

在通過水池驗收后，ARV 在浙江千島湖進一步開展了功能考核試驗。試驗結果證明，模糊PID控制方法能有效地實現ARV 的自動定深和自動定向功能。其水下調查典型的任務剖面如下［10］，最大下潛深度58m。ARV 將下潛到達湖底附近，離底高度1m～2m 附近進行低速航行，觀察湖底情況，拍攝大量湖底照片。

3）水下平臺對接試驗

此外，ARV 還在某大型露天水池進行了水下對接試驗。在試驗期間，ARV 通過了自動定深和自動定向的功能考核，先后在水下平臺坐底和懸停兩種工況下完成16次布放回收試驗，成功13次，成功率高達81%。從布放出艇、水面機動到回收成功用時平均僅為18分鐘。

6 結語

本文介紹的“海箏Ⅱ型”遙控自治機器人，采用單體扁平式流線型外形，具有機動靈活、高效安全的優勢。基于模糊邏輯的PID 控制器，可以實現“海箏Ⅱ型”ARV 的運動精確控制。ARV 的研究正為11000m 全海深水下機器人研制奠定堅實的基礎。

［1］徐鵬飛，馬利斌，王磊．“海箏Ⅱ型”遙控自治水下機器人的研制與應用［J］．中國科技成果，2012（20）：36-39．

［2］關宇，汪良生．ROV 檢測技術［J］．船舶工業技術經濟信息，2002（2）：22-25．

［3］徐玉如，龐永杰，甘永，等．智能水下機器人技術展望［J］．智能系統學報，2006，1（1）：9-16．

［4］T．Murashima，H．Nakajoh，H．Yoshida．The Development and Sea Trial of KAIKO7000［C］／／Proceedings of the Fifteenth International Offshore and Polar Engineering Conference，2005：234-239．

［5］Barbara Fletcher，Andrew Bowen，Dana R．Yoerger，et al．Journey to the Challenger Deep：50Years Later with the Nereus Hybrid Remotely Operated Vehicle［J］．Marine Technology Society Journal，2009，43（5）：65-76．

［6］徐鵬飛，崔維成，謝俊元，等．遙控自治水下機器人控制系統［J］．中國造船，2010，51（4）：100-109．

［7］吳小平，馮正平，朱繼懋．模糊PID 策略在AUV 控制中應用［J］．艦船科學技術，2007，29（1）：95-98．

［8］蔚東曉，賈霞彥．模糊控制的現狀與發展［J］．自動化與儀器儀表，2006（6）：117-121．

［9］楊新平．遙控自治水下機器人控制技術研究［D］．北京：中國艦船研究院，2012：57-68．

［10］徐鵬飛．海箏Ⅱ型ARV 湖上試驗報告［R］．中國船舶科學研究中心科技報告，2011：1-34．