液压推进型水下机器人的运动控制方法研究*
田烈余1，周 锋2，张培豪3，陈宗恒1
【摘 要】摘要：针对液压推进型水下机器人的定向控制问题，对液压推进器的比例滞环、机器人多自由度运动模型、控制器设计等方面进行了研究，提出了液压推进器转速PI控制与ROV定向PID控制相结合的控制方法；在Matlab/Simulink中建立了海马号水下机器人的六自由度动力学模型，并设计了带螺旋桨转速PI闭环的定向控制器；该定向控制器包括控制手柄输入、定向PID控制器、推力分配及合成矩阵、螺旋桨转速PI控制器等，利用仿真试验模型对控制器进行了抗干扰测试。仿真结果表明：所提出的复合PID控制器可显著减小由于液压推进器推力不一致引起的定向角度控制误差，具有比常规PID控制器更好的控制性能。 【期刊名称】机电工程 【年(卷),期】2018(035)007 【总页数】4
【关键词】液压推进器；PID控制；转速闭环；运动控制
基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2008AA092301)
0 引 言
ROV(remotely operated vehicle)作为海洋科学考察、资源开发及水下工程等领域的重要作业工具，其运动控制仍是国内外研究热点之一[1]。而液压推进型ROV由于其功率密度大和调速性能好，广泛应用于水下大功率作业。对于ROV的运动控制方法研究，目前已有许多重要成果。TEHRANI[2]使用PID控制器实现了“DENA”ROV的深度控制；HOU和CHEAH[3]采用PD控制器实
现了多个水下机器人的编队控制；此外,也有学者将PID控制方法与其他控制方法结合，如TANG等[4]将PID控制算法与非线性模糊补偿结合，在ROV定深控制时成功抑制了超调；MA等[5]引入蚁群算法对PID参数进行在线优化，实现了ROV的定深、定高和定向控制。
然而大多ROV控制算法以研究电推进器为主，针对液压推进器的控制研究较少。液压推进控制系统与电机控制相比，非线性特点更为显著。比例电磁阀的磁滞现象以及液压参数波动(油温和压力等)的存在使液压推进器的开环控制性能相对较差。多个推进器的不一致容易使ROV在定向控制中产生较大控制偏差，对潜器的运动和作业能力产生较大影响。
本文将提出一种将液压推进器转速PI控制与ROV艏向PID控制相结合的控制方法。
1 水下机器人运动学建模
海马号ROV的固定坐标系和艇体坐标系(运动坐标系)如图1所示。
在固定坐标系下，可将ROV的六自由度位置/姿态描述成向量η=[x,y,z,φ,θ,ψ]T；在艇体坐标系下，可将ROV速度和角速度描述成向量v=[u,v,w,p,q,r]T，将其受力和力矩描述成向量τ=[X,Y,Z,K,M,N]T[6-7]。ROV在艇体坐标系下的状态向量v可通过欧拉角变换转换至固定坐标系，其表达式如下： (1)
式中：J(η)—坐标转换矩阵。
在艇体坐标系中，ROV运动的动力学方程可采用基于Fossen大纲非线性模型表示[8]：
(2)
式中：M为质量惯性矩阵；C(v)—科氏力和向心力矩阵；D(v)—水动力阻尼矩阵；g(η)—重力和浮力产生的力和力矩向量；τ—推进系统产生的控制力和力矩；Δf—未知干扰力/力矩向量。
海马号有8个液压推进器，其中4个水平推进器为矢量布置，4个垂直推进器推力方向与XY平面夹75度角，推进系统产生的推力可表示为向量u=[u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8]T。由于液压型ROV本身质量大且浮心位于重心上方，在横倾和纵倾方向有足够大的复原力矩，故ROV控制系统较多采用简化四自由度模型[9-10]。故ROV所受力和力矩向量τ(忽略横倾角和纵倾角控制)可表示为： τ′=Bu=[B1,B2]u (3) 其中： τ′=[X,Y,Z,N]T
式中：α—水平推进器推力方向与X轴夹角；β—垂直推进器推力方向与XY平面的夹角；d—垂直推力与Y轴的作用距离；l—水平推力与重心间的作用距离。
2 运动控制器设计
ROV的定向控制原理如图2所示。
期望艏向角ψd由操作手给定，通过PID控制器可得到一个输出转矩τ’，再经过推力分配矩阵B+得出每个推进器的输入力大小。常规PID控制器在液压推进器上采用开环控制，并不考虑磁滞现象等的影响，因此由推进器不一致产生的控制误差不能忽视。
液压推进型水下机器人的运动控制方法研究
