齊貝貝, 嚴(yán)衛(wèi)生, 高 劍

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基于偶極勢(shì)場(chǎng)的移動(dòng)回收站空間回塢導(dǎo)引算法

齊貝貝1, 嚴(yán)衛(wèi)生2, 高 劍2

(1. 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程學(xué)院, 陜西 西安, 710089; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

針對(duì)自主水下航行器(AUV)的自主回收問題, 提出了一種基于偶極勢(shì)場(chǎng)的移動(dòng)回收站空間回塢導(dǎo)引算法。在回收站移動(dòng)的情況下, AUV動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)答器的位置, 從而獲得AUV在對(duì)接坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和姿態(tài)角, 利用建立的偶極勢(shì)場(chǎng)計(jì)算出期望的航向角和俯仰角, 期望的橫滾角設(shè)為零。在偶極勢(shì)場(chǎng)的導(dǎo)引下, AUV沿回收站的中軸線進(jìn)入回收站。將AUV的控制分解為縱平面和水平面兩部分, 通過(guò)采用自適應(yīng)非奇異終端滑模控制的方法, 分別保證航向角和俯仰角回塢控制的魯棒性和自適應(yīng)性。最后, 仿真結(jié)果證明了在回收站移動(dòng)的情況下, 所設(shè)計(jì)的空間回塢導(dǎo)引算法是有效的。文中的工作可為移動(dòng)回收站的回塢對(duì)接研究提供參考。

自主水下航行器; 移動(dòng)回收站; 空間回塢導(dǎo)引; 偶極勢(shì)場(chǎng); 自適應(yīng)非奇異終端滑?？刂?/p>

引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)在軍事和民用領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。由于受制于體積與質(zhì)量, AUV在執(zhí)行任務(wù)時(shí)只能攜帶有限的能源, 為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的水下工作, 需要在水下對(duì)AUV進(jìn)行能量的補(bǔ)充; 同時(shí), AUV在水下執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時(shí), 需要與水下對(duì)接平臺(tái)進(jìn)行信息交換, 包括任務(wù)信息的上傳與任務(wù)使命的下載。因此, 自主回收控制技術(shù)已成為當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

Lee等[1]基于視覺伺服的對(duì)接控制方法, 設(shè)計(jì)海流觀測(cè)器, 使用李雅普諾夫直接法證明海流觀測(cè)器的穩(wěn)定性, 在線性終端導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)中考慮海流的影響[2]。蒙特利海洋系統(tǒng)研究所針對(duì)AUV自主回收問題研究了一類水下固定式回收器[3], 在2005年和2006年分別進(jìn)行了回塢和對(duì)接的海上試驗(yàn)。把回收對(duì)接過(guò)程分解為回塢和入塢2個(gè)階段, 分析了2個(gè)階段的視線導(dǎo)引法及跟蹤控制法。Ken[4]通過(guò)使用視覺導(dǎo)引和橫向跟蹤控制的方法對(duì)AUV運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究, 忽略海流的干擾, AUV從初始位置開始運(yùn)動(dòng), 采用滑?？刂? 最終進(jìn)入回收器。吳澤偉等[5]針對(duì)AUV回收控制問題, 采用了一種基于主-從系統(tǒng)同步的思想, 回收站在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)AUV的自主回收。Gao等[6]基于超短基線(ultra short base line, USBL)聲學(xué)定位系統(tǒng), 以體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)通過(guò)非線性反演技術(shù)設(shè)計(jì)反演對(duì)接控制器, 實(shí)現(xiàn)AUV的對(duì)接控制。Panagou等[7]首次提出了通過(guò)偶極勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的算法。嚴(yán)衛(wèi)生等[8]針對(duì)AUV的水平面回塢導(dǎo)引問題, 采用偶極勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接導(dǎo)引。

文中提出了基于偶極勢(shì)場(chǎng)的移動(dòng)回收站空間回塢導(dǎo)引算法, 針對(duì)回收站隨海流移動(dòng)情況下, 對(duì)回收站自主回收AUV進(jìn)行研究。移動(dòng)回收站的空間回塢導(dǎo)引, 更符合實(shí)際應(yīng)用中AUV動(dòng)態(tài)回收的情形。文中, AUV動(dòng)態(tài)測(cè)量固定在回收站上應(yīng)答器的位置, 從而計(jì)算出AUV在對(duì)接坐標(biāo)系下的坐標(biāo), 利用建立的偶極勢(shì)場(chǎng)計(jì)算出期望的航向角和俯仰角, 期望的橫滾角設(shè)為零。然后采用了自適應(yīng)非奇異終端滑模控制的方法, 從而保證了航向角和俯仰角跟蹤控制的魯棒性和自適應(yīng)性。仿真結(jié)果證明了空間回塢導(dǎo)引算法是有效的。

1 問題描述

1.1 坐標(biāo)系

1.2 AUV動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

文中, AUV在3D空間中運(yùn)動(dòng), 并考慮模型參數(shù)的不確定項(xiàng)。AUV的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為[9]

設(shè)運(yùn)動(dòng)中AUV的橫滾角為零, 并將其運(yùn)動(dòng)分為縱平面和水平面的運(yùn)動(dòng)兩部分, 不考慮2個(gè)平面運(yùn)動(dòng)的耦合, 可分別得到如下2個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型[9]

2 AUV運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定

記從體坐標(biāo)系到回收坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣

偏航角真值如表1所示。

表1 偏航角真值表

3 偶極勢(shì)場(chǎng)

在球坐標(biāo)系中, 空間中任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)[11]

其中

如圖3所示, 電偶極子的電場(chǎng)線垂直于電偶極矩并趨近于原點(diǎn)。

經(jīng)研究得到更為簡(jiǎn)化的公式[12]

3D偶極勢(shì)場(chǎng)在各個(gè)軸上的分量如圖4所示, 假設(shè)期望的橫滾角為零, 可以計(jì)算出期望的偏航角和俯仰角。

4 自適應(yīng)非奇異終端滑模跟蹤控制

在文中的回收控制中, 航向角和俯仰角的跟蹤控制是一個(gè)非常重要的問題, 是保證AUV回塢導(dǎo)引效果的關(guān)鍵。

4.1 水平面控制

定義航向角的跟蹤誤差

在傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制中, 有限的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)不能漸近地收斂到零。因此采用非線性函數(shù)設(shè)計(jì)滑模面可有效改善穩(wěn)態(tài)跟蹤精度, 進(jìn)一步采用非奇異終端滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法[8,13], 可避免普通終端滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)中的奇異問題。

定義非奇異滑動(dòng)面

選擇舵角

由式(17)可得

定義李雅普諾夫函數(shù)

其導(dǎo)數(shù)

將式(18)代入式(3), 得

選擇舵角

代入式(25)和式(26), 得

4.2 縱平面控制

與水平面的情形類似, 定義俯仰角誤差

定義非奇異滑動(dòng)面

選擇舵角

5 仿真與仿真分析

圖8 AUV空間回塢俯仰角變化圖

Fig. 8 Curves of pitch angle of 3D docking versus time for an AUV

從圖6中可以看到, 在回收站發(fā)生移動(dòng)的情況下, 采用自適應(yīng)非奇異終端滑?？刂? AUV能夠以較光滑的軌跡、在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入回收站。AUV航行過(guò)程中偏航角和俯仰角的變化分別如圖7和圖8所示, 實(shí)際偏航角和指令偏航角的誤差、實(shí)際俯仰角和指令俯仰角的誤差都非常小, 可以完成回塢任務(wù)。AUV航行過(guò)程中垂直舵角和水平舵角的變化如圖9和10所示, 從圖中可以看出, 剛開始時(shí)為了調(diào)整初始航向, 舵機(jī)打滿舵; 當(dāng)跟蹤上期望的姿態(tài)角之后, 舵角始終保持較小值。加入隨機(jī)噪聲對(duì)回塢軌跡和航向角的變化影響很小, 說(shuō)明了導(dǎo)引算法的有效性。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)移動(dòng)回收站的AUV空間動(dòng)態(tài)回收問題, 提出了一種基于偶極勢(shì)場(chǎng)的空間回塢導(dǎo)引算法。在回收站移動(dòng)的情況下, 首先AUV動(dòng)態(tài)地測(cè)量回收站上應(yīng)答器的位置, 從而計(jì)算出AUV在對(duì)接系下的坐標(biāo), 利用建立的偶極勢(shì)場(chǎng)計(jì)算出期望的航向角和俯仰角。然后將對(duì)AUV的控制分解為縱平面和水平面兩部分, 忽略2個(gè)部分運(yùn)動(dòng)的耦合。自適應(yīng)非奇異終端滑?？刂谱鳛榭刂品椒? 分別保證了航向角和俯仰角跟蹤導(dǎo)引控制的魯棒性和自適應(yīng)性。最終仿真結(jié)果證明了該空間回塢導(dǎo)引算法是有效的。仿真中移動(dòng)回收站的移動(dòng)條件比較理想, 綜合考慮海流和海浪的影響將是下一步研究的方向。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

3D Docking Guidance Algorithm Based on Dipole Field for a Moving Dock Station

QI Bei-bei1, YAN Wei-sheng2, GAO Jian2

(1.College of Aircraft Maintenance Engineering, Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an 710089, China; 2. Colle- ge of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To solve the autonomous docking problem of an autonomous undersea vehicle(AUV), a three-dimensional (3D) docking guidance algorithm based on dipole field is presented for a moving dock station. The position of the transponder is dynamically measured under moving condition of the dock station, and the coordinate and attitude angle of the AUV in docking coordinate system are obtained. The expected heading angle and pitch angle are calculated by using the established dipole field, and the expected roll angle is set to zero. Under the guidance of dipole field, the AUV enters the dock station along the central axis. The control of the AUV is decomposed into two parts in respective longitudinal plane and horizontal plane. By adopting adaptive nonsingular terminal sliding mode control, the robustness and adaptability of controlling heading angle and pitch angle in docking are guaranteed. Simulation shows that the 3D docking guidance algorithm is effective for the moving dock station. This work may provide a reference for the research on docking of moving dock station.

autonomous undersea vehicle(AUV); moving dock station; three-dimensional docking guidance; dipole field; adaptive nonsingular terminal sliding mode control

齊貝貝, 嚴(yán)衛(wèi)生, 高劍.基于偶極勢(shì)場(chǎng)的移動(dòng)回收站空間回塢導(dǎo)引算法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 221-227.

TJ630; TP242.3; TP273

A

2096-3920(2018)03-0221-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.006

2018-01-28;

2018-03-28.

齊貝貝(1990-), 女, 碩士, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅鲗?dǎo)航與控制.