呂長(zhǎng)軍,林祖杰,袁躍峰（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江　舟山　316022）

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自浮力冰下航行器

呂長(zhǎng)軍,林祖杰,袁躍峰
（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山316022）

摘 要：使用自主式水下航行器（AUV），可以有效解決冰上惡劣環(huán)境因素影響科研、施工的問(wèn)題。自主式水下航行器在海洋科學(xué)調(diào)查、海洋資源開(kāi)發(fā)以及軍事領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文研究一種冰下倒置的自主式水下航行器，改變水下航行器以往的運(yùn)動(dòng)方式，采用小車形狀的機(jī)器在冰下運(yùn)行，使得工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定、工作方式簡(jiǎn)化、工作效率提高。

關(guān)鍵詞：水下航行器；PID控制；自浮力

1　引言

AUV無(wú)論在軍事上還是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都有著廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外都對(duì)AUV給予了高度重視[1-3]。目前，研究的主要領(lǐng)域有幾個(gè)主要方面[4]：

（1）情報(bào)搜集。在海軍人員和潛艇無(wú)法進(jìn)入的海域，進(jìn)行情報(bào)搜集、監(jiān)視和偵查。

（2）水雷對(duì)抗。UUV的使用極大地提高了海軍的水雷對(duì)抗能力。

（3）通信中繼。利用UUV作為通信接口，完成水面艦船和潛艇之間、指揮中心和水面艦船之間以及其它平臺(tái)之間的通信。

（4）海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)。平時(shí)對(duì)特殊海域的海洋環(huán)境和影響戰(zhàn)術(shù)活動(dòng)的因素進(jìn)行監(jiān)視和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)供戰(zhàn)時(shí)使用。

（5）其它應(yīng)用領(lǐng)域。比如后勤支援和深水救難等。

本文研究一種冰下倒置的自浮力自主式水下航行器，以陸地上的車為原型，有利于讓機(jī)器獲得更穩(wěn)定的工作環(huán)境。用于海洋科學(xué)調(diào)查、海洋資源開(kāi)發(fā)等，有利于提高效率，避免了冰面上積雪難以行進(jìn)的缺點(diǎn)，且不受冰上復(fù)雜地形的限制。

2　水下航行器結(jié)構(gòu)

水下航行器的主要結(jié)構(gòu)包括：前輪、后輪、前輪箱、后輪箱、連接部分。其中前輪為左、右單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的形式，在前輪箱中安裝電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、向上燈光等；后輪為從動(dòng)輪，后輪箱中安裝各種傳感器、向下燈光；中間連接部分采用柔性材料，工作中可以具有一定的變形量，這是為了讓航行器能在不平坦的冰面上，始終與冰面貼合穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1前輪、后輪

前輪、后輪采用鋁合金齒輪外緣，這樣的結(jié)構(gòu)是用于增加航行器與冰面的抓合力，驅(qū)動(dòng)航行器工作。航行器力學(xué)模型分析如圖1所示。

當(dāng)航行器以速度v穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，航行器輪半徑為R，電機(jī)到輪的傳動(dòng)比為i，效率為η。分析如下：

可根據(jù)工作環(huán)境的不同要求選擇航行器電機(jī)的型號(hào)。

2.2其他結(jié)構(gòu)

前后輪箱的主要作用是安置工作儀器以及提供自浮力，結(jié)構(gòu)為六棱柱形狀的密封筒。連接部分使用較為柔韌的橡膠材料，當(dāng)運(yùn)動(dòng)環(huán)境不穩(wěn)定時(shí)具有吸震的作用，使航行器可以在前輪與后輪之間形成一定夾角的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。

3　協(xié)調(diào)控制

水下航行器的執(zhí)行裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，需要控制航行器的加減速、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則需設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊及其相應(yīng)的控制模塊，然后將各模塊通過(guò)CAN總線與上層決策系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)水下航行器的自動(dòng)操控。本文采用兩個(gè)電機(jī)分別控制左、右前輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.1轉(zhuǎn)向控制

在航行器工作中，前輪是由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。改變左右輪的電壓使電壓不同，則改變了電機(jī)轉(zhuǎn)速使得兩輪速度不同，達(dá)到轉(zhuǎn)向的作用。取其中一個(gè)電機(jī)分析如下，加在直流電機(jī)電樞回路兩端的控制電壓為u ，電流為i，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角為，電機(jī)的等效電阻和電感分別為R、L，電機(jī)的電勢(shì)系數(shù)為，則電樞回路的電壓平衡方程：

本文中使用電機(jī)功率小，且電感系數(shù)L很小，若忽略不計(jì)則：

可得電機(jī)的工作受力關(guān)系式：

3.2速度控制

水下航行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括加速、減速和勻速運(yùn)行，采用轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性不受環(huán)境變換的影響。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出先負(fù)電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。

雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系：

4　控制系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際工作要求設(shè)計(jì)航行路線，使用人工遙控或PID控制的方法，控制航行器的加速、減速或轉(zhuǎn)向，并且比較實(shí)際工作路線與設(shè)計(jì)路線的差別，并通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)路線，控制航行器準(zhǔn)確的達(dá)到預(yù)期的工作位置，控制系統(tǒng)圖如圖3。達(dá)到控制效果所需要的硬件結(jié)構(gòu)，主要有定位GPS、芯片、傳感器、工作電機(jī)、解碼器等。

4.1控制方法

PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是PID參數(shù)的整定，傳統(tǒng)的方法是在獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來(lái)確定參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中，許多被控過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，具有高度非線性、時(shí)變不確定性和純滯后等特點(diǎn)。針對(duì)其參數(shù)整定不良、性能欠佳，對(duì)被控過(guò)程的適應(yīng)性差等缺點(diǎn)采用模糊控制與自適應(yīng)PID控制結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PID控制器。利用模糊推理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線自整定，進(jìn)一步完善PID控制器的性能，提高系統(tǒng)的控制精度。本文采用自適應(yīng)模糊PID控制，自動(dòng)整定控制參數(shù)，能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化，又具有常規(guī)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)。

4.2控制系統(tǒng)硬件

水下航行器的控制系統(tǒng)硬件以MK60DN512ZVLL10芯片為核心，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括定位器、串行通信單元、傳感器、解碼器、電源轉(zhuǎn)化單元、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、Can接口、驅(qū)動(dòng)器；操縱控制器根據(jù)速度傳感器和定位器分別輸入工作時(shí)的速度和位置信息，速度傳感器把檢測(cè)到的信息輸入給解碼器，定位器把航行器位置通過(guò)串行通行單元輸入，芯片處理輸入信息，并通過(guò)Can接口輸出信息控制速度驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器，從而控制航行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)軟硬件兩種模式的復(fù)位；電源轉(zhuǎn)化單元給硬件系統(tǒng)供電。

5　總結(jié)

本文研究了一種自浮力冰下航行器，并且對(duì)力學(xué)、控制模塊進(jìn)行建模，理論的推導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.195