水下自主航行器(AUV)建模仿真研究

1.引言

水下自主航行体是一种重要的用于水下勘探的机器人，同时也是用于检测的精密仪器。其应用领域涵盖：科学研究（海洋学、地理学、地球物理学等），环境保护（废弃垃圾处理监控，沼泽湿地监测等），商业（石油与天然气勘查，海底管道铺设，港口监控等）和军事（水雷战，战场情报收集，智能武器等）。随着其水下应用的不断增多，AUV的开发需求越来越强烈。但是水下航行体的动力学是一个高度非线性的且各自由度之间是相互耦合的。本文介绍了水下自动航行体的动力学数学模型。AUV的仿真和运动方程的解算是系统设计与控制的基础，因此首先需要分析航行体在水下航行时受到的所有外力和力矩。其次要对各种力和力矩（惯性力，静水力，流体力，超重，推进力以及环境的影响等）的作用效果加以推导计算，最后求出各方程在特定条件下的数值解。由于动态仿真能在不扩展现有模型的前提下对给定系统的性能离线做出较为准确的评估，因此动态仿真已经成为AUV开发的强大工具。本软件用MATLAB SIMULINK和C++语言编写而成，并且利用三维图形界面显示实时数据。

2.AUV模型

水下航行体一般可认为是具有六自由度的刚体，其平动和转动方程可以依据牛顿定律建立。其六种不同的运动形式分别定义为：前后，左右，上下，横滚，俯仰，偏航。

要对航行体的物理行为进行分析，首先必须建立合适的坐标系。为此必须理解世界坐标系和艇体坐标系这两种坐标体系及相互转换关系。文中的动力学运动方程均建立在艇体坐标系下，如图1所示。

3.AUV运动方程

描述AUV运动特征的方程]如下：

作用在水下航行体的所有外力和力矩主要划分为以下6类：(1)静水力和力矩；(2)超重惯性力和力矩；(3)流体动力和力矩；(4)操舵力和力矩；(5)推进力和力矩；(6)环境作用力。

静水力由重力和浮力构成，它们均是方位的函数且与航行体的运动状态无关。粘滞力是关于运动速度的函数，而艇体的超重效果则主要与加速度有关。流体力是作用于艇体压力中心的包含牵引力和拖曳力。压力中心是攻角的函数，当攻角增大时压力中心的位置会偏移。因此搞清楚压力中心的变化对航行体运动的影响就显得十分重要。航行体的航行姿态由水平舵和垂直舵控制。推进力提供动力Xprop和艇体坐标系下绕X轴的动力矩Kprop表示。环境的影响主要考虑水下的涌流。仿真的过程中，可以改变方程各参量的值，对航行体的运动可以实时监控。

4.仿真

仿真器由输入、计算和输出3部分构成。在输入部分，用户可以设定航行体的各种参数，如航行体的几何形状尺寸、质量、流体力学参数等。计算部分由AUV的六自由度动力学模型构成，模型仿真利用MATLAB SIMULINK编程实现。工具包由以下五个子系统构成：(1)推进力和力矩计算子系统；(2)静水力和力矩计算子系统；(3)流体动力和力矩计算子系统；(4)操舵力和力矩计算子系统；(5)环境影响(水下涌流)子系统。

动力学子系统负责求解各运动方程，求解时考虑了作用于艇体的外力和力矩以及航行体的运动学。通过求解得出航行体在艇体坐标系下的加速度、线速度和角速度。航行体在惯性坐标系的位置则通过坐标转换子系统计算得出。

对动力学运动方程积分可以得出航行体下一时刻的速度值。结合航行体在艇体坐标系下的最新速度与艇体移动的运动方程可以推导出其在世界坐标系下的速度。对航行体在世界坐标系下的速度积分并考虑洋流的影响就可以获得航行体的位置。

输出部分主要实现数据的文件保存、二维或三维图形显示、以及航行体机动情况的三维视景显示，如图2所示。

将控制子系统内置于工具包中使我们能使用各种类型的控制器进行仿真模拟，如滑模型控制、模糊控制、自适应控制、QFT方法等。

5.实例

图1 AUV坐标系示意图

图2 仿真环境中AUV的三维视景图

图3 REMUS航行体的仿真轨迹

为了说明软件包的性能，我们选取一个名为REMUS的AUV作为实例进行仿真[7]。将该AUV的已知参数输入，就可以对AUV的行为进行仿真，并将仿真结果与文献[7]中的实验结果进行对照比较。在以下各图形中可以看到REMUS的机动情况。图3显示了航行体方向舵偏角渐变对其运动的影响，其中仿真开始的最初10s内水平舵设为零度，随后的25s内航行体方向舵转为正4度，再后30s内方向舵转为负4度。

6.结论

利用本文讨论的航行体刚体动力学模型，通过改变航行体的方向舵，艉部水平舵和发动机功率等参数值可以产生航行体的开环行为结果。所开发的软件不仅可用于系统结构和行为控制策略的最优设计，还可以作为已设计完成系统的试验台。

[1]Fossen T.I,“Guidance and Control of Ocean Vehicles”,John Wiley & Sons,1994.

[2]Loueipour M,Narimani M,”Dynamic Modelingand simulation of Remotely Operated Vehicles”,UDT Conference,2006.

[3]Loeipour M.,“Dynamic of underwater vehicles”,sub sea R&D research centre,Isfahan University of Technology,Isfahan,Iran,2001.

[4]Loeipour M.,“Design of Control System for ROV based on QFT Method”,M.S Thesis,1997.

[5]Tabesh A,Narimani M“Design of control system for a ROV”,Sub sea R&D centre,Isfahan University of Technology,1999.

[6]Narimani M,Loeipour M,“Positioning Control of Remotely Operated Vehicle”,UDT Conference,2006.

[7]Prestero T,“Development of Six-DOF simulated model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle”,A dissertation at University of California.