潛水器關鍵技術研究現狀分析

廖林堅 張明（中海輝固地學服務(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著海洋領域相關活動的不斷開展和海洋資源的不斷深入開發，各國深刻認識到海洋權益與資源的重要性，都在逐步加大海洋高新技術的投入力度，大力推進海洋探測設備及作業裝備技術的研發，潛水器作為其中重要的載體，在海洋勘察與開發中起著重要作用。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的設備，它綜合了操作控制、通訊、導航、數據傳輸與處理等多方面技術，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域的發展較晚，關鍵核心技術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的需求日益增強，潛水器的研制開始得到更多關注和投入，國內相關組織機構的自主研發也取得了不少突破和應用，為我國深海開發與應用提供了強有力的技術支持。本文主要在查閱相關文獻的基礎上對國內外潛水器的關鍵技術研究現狀進行概述，旨在為同行開展相關研究提供思路和借鑒。

1 潛水器關鍵技術研究現狀

由于海上環境復雜多變，潛水器的工作環境復雜而危險，因此其在航行與作業中的安全性與穩定性就顯得非常重要，借助完備的數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對確保潛水器在水下安全高效的作業起著關鍵作用。查閱目前近幾年國內外相關文獻可知，目前科學界關注的技術重點主要有潛水器運動控制技術、動力控制分配技術、水動力系數預報研究等，下面對這幾種關鍵技術進行匯總分析。

2 潛水器運動控制技術

關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、滑模控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡、魯棒控制、反步法、二次型最優控制等理論，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的線性化模型的精度，由于海上環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化PID 控制器參數，將神經網絡控制與PID 控制結合起來實現PID控制器的自校正等。

滑模控制最早是由蘇聯科學家提出，發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對系統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?，可以對潛水器電-液系統進行精準控制。

自適應控制是在線估計不確定的被控對象參數，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系統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域的跟蹤控制任務。

模糊控制理論是以模糊數學為基礎，用語言規則表示控制方法，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學模型就可以實現對不確定性系統和非線性系統的控制，抗干擾能力較強，但語言規則限制了控制系統的穩定性和靈敏性。

3 動力控制分配技術

動力控制分配策略最初主要應用于船舶的動力定位系統，隨著現代控制理論的不斷發展與成熟以及各種智能優化算法的深入應用，動力控制分配逐步在航天器系統、汽車系統、海上浮式平臺系統和潛水器運動控制系統等各個領域使用。潛水器運動控制分配系統主要包括動力控制分配技術與運動控制算法，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、基于數學規劃的優化算法、動態控制分配、多目標優化等。

偽逆法主要適用于推進器不存在矢量布置角度優化時的情況，由于其無法對矢量夾角進行優化，因此在全自動控制系統中難以使用此算法。基于數學規劃的優化算法是把優化問題離散成等效的凸規劃序列，這種序列可以迭代，從而求出最優解，這種算法主要適用于小規模的非線性約束的最優化問題。動態控制分配算法是從控制算法解算的期望值出發，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化分配問題，同時提高系統的故障容錯能力。

4 水動力系數預報研究現狀

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，因此一般在研究時不考慮自由液面對其運動的影響，在水中進行常規懸停操作作業或勻速緩慢的觀察作業時，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量的影響，潛水器的水動力系數目前常用的測算方法有經驗公式法、CFD仿真計算法、系統辨識法、拘束或自航模型試驗法等。

由于潛水器自身結構形式多樣，上面還安裝各種監視器和傳感器，目前還沒有足夠的資料可以支持水動力系數的真實值計算，大部分情況下靠經驗公式進行估算，由于這種計算方法的精度和適用性相對較差，在一些多方案優化選型中無法推廣使用。CFD 流體仿真對于幾何外形較為規則及流線型外形的潛水器的適用性較強，但絕大多數的潛水器都屬于非規則外形的結構，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。系統辨識法主要用于潛水器在實際航行中對水動力系數進行修正處理，而不能用于潛水器設計階段的水動力系數計算。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，但是試驗會耗費大量時間和金錢，由于所得數據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測算方法。

5 結語

本文主要對國內外潛水器的關鍵技術研究現狀進行概述，目前科學界關注的技術重點主要有潛水器運動控制技術、動力控制分配技術、水動力系數預報研究等，其中潛水器運動控制技術主要包括PID控制及改進的PID控制、滑模控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡、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、基于數學規劃的優化算法、動態控制分配、多目標優化等。潛水器的水動力系數常用的測算方法有經驗公式法、CFD 仿真計算法、系統辨識法、拘束或自航模型試驗法等。由于海上環境復雜多變，潛水器的工作環境復雜而危險，這些關鍵技術在潛水器領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驗總結階段，未形成系統化理論，隨著各項關鍵技術在各個領域的同步發展與相互促進，未來潛水器的設計與開發會更加智能，水下作業會更加安全高效。