Sualtı Aracının Akıllı Seyir Kayar Mod Kontrolü
Liu Qing, Huang Runan, Chen Yong, Li Jianpo, Zhao Delin
(Elektrik Mühendisliği Okulu, Yanshan Üniversitesi, Qinhuangdao, Hebei 066004)
Otonom su altı aracının referans rotasının düzgün ve hızlı bir şekilde izlenebilmesi için, parazit gözlemciye dayalı rota takibi için uyarlanabilir bir geri adım atan kayma modu kontrol algoritması önerilmiştir. Tank testindeki farklı su akışı paraziti dereceleri göz önüne alındığında, sistemin belirsizliğini ve harici parazitini gözlemlemek için bir parazit gözlemcisi kullanılır ve parazitin gözlenmeyen kısmı, uyarlanabilir bir kayan mod kontrolörü ile telafi edilir. Kontrolörün tasarımı, geleneksel kayan mod kontrolünün "gevezelik" olgusunu ortadan kaldırır ve kapalı döngü sisteminin kararlılığını sağlar. Aynı zamanda, kontrol sistemi akıllıca bir kontrol stratejisi seçebilir ve su sirkülasyonu gibi harici parazit derecesini değerlendirerek uygun bir kontrol stratejisini otomatik olarak seçebilir ve nihayetinde dış paraziti ortadan kaldırarak izleme istikrarını ve hızını artırabilir. Simülasyon sonuçları, bu kontrol stratejisinin akıllı rota izleme kontrolünü iyi bir şekilde gerçekleştirebildiğini, izleme hatasını sınırlı bir süre içinde hızlı bir şekilde sıfıra yaklaştırdığını ve güçlü bir sağlamlığa ve harici rahatsızlık değişikliklerine iyi bir uyarlanabilirliğe sahip olduğunu göstermektedir.
Otonom su altı aracı; parazit gözlemcisi; uyarlanabilir geri adım atan kayma modu kontrolü
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN911.23; TP13
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.07.030
Çince alıntı biçimi: Liu Qing, Huang Runan, Chen Yong ve diğerleri.Sualtı Araçlarının Akıllı Rota Kayma Modu Kontrolü. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (7): 117-121.
İngilizce alıntı biçimi: Liu Qing, Huang Runan, Chen Yong, ve diğerleri.Sualtı aracı için akıllı kayma modu kontrolü.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (7): 117-121.
0 Önsöz
Bir su altı aracının rota kontrolü, aracın rota kontrolünün en temel içeriğidir ve kontrol alanında önemli bir araştırma konusudur. Bu yazıda incelenen sualtı aracı, otonom su altı aracına (Otonom Sualtı Aracı, AUV) aittir.Kütlesi ve hacmi küçük olması nedeniyle karmaşık su altı ortamlarına karşı oldukça hassastır ve çeşitli dış ortamlara karşı son derece savunmasızdır. Girişim faktörlerinin etkisi nedeniyle, rota kontrolünün kararlılığı, yanıt izleme sürecinin manevra kabiliyeti ve rota izlemenin doğruluğu garanti edilemez. Kayma modu (veya değişken yapı) kontrolü, hızlı tepki hızı, iyi parazit önleme performansı ve basit algoritması nedeniyle yurtiçi ve yurtdışındaki kontrol çevrelerinden genel ilgi gördü.
Dış müdahaleyi ortadan kaldırmak ve kayma modu kontrolünün neden olduğu gıcırtıları zayıflatmak ve uçağın doğru yörünge izleme kontrolünü gerçekleştirmek için birçok bilim insanı üzerinde araştırma yapmıştır.Şu anda, ana araştırma yöntemleri arasında adaptif yöntem, girişim gözlemci yöntemi ve yağlama yöntemi bulunmaktadır. Çubuk kontrol yöntemi. Wang Lin ve arkadaşları, uyarlanabilir yöntem ve değişken yapılı kayan mod kontrolü ile birleştirilmiş geri adımlama yöntemine dayalı bir yön kontrolörü tasarladı.Lyapunov fonksiyonu yardımıyla, kontrolörün iyi dinamik ve statik performansa sahip olduğu kanıtlandı, ancak harici parazitin etkisini dikkate almadı. Liao Yulei ve diğerleri, referans istikametini izlemek için bir ters çevirme uyarlamalı kayan mod kontrolörü tasarladılar Tasarımda, direksiyon dişlisinin özellikleri ve modelleme hatalarının ve çevresel müdahalenin etkisi dikkate alındı, ancak büyük müdahalenin izleme performansı üzerindeki etkisi dikkate alınmadı. Zhu Qidan ve diğerleri tarafından geri adımlama yöntemi ve kayan mod gözlemcisi kullanılarak tasarlanan başlık denetleyicisi, daha iyi rota izleme elde edebilir, ancak geri adım yöntemi tasarım süreci, parazit gözlemcisi tarafından gözlemlenmeyen parazit parçasını telafi etmedi, bu da izlemeye neden olabilir İşlem sırasında istikrarsızlığı takip etmek.
Bu nedenle, dış müdahaleyi daha iyi ortadan kaldırmak ve uçak izleme kontrolünün doğruluğunu iyileştirmek için, bu makale, harici müdahaleye yaklaşmak için girişim gözlemcisini tanıtma yöntemini benimser ve gözlemci tarafından gözlemlenmeyen girişimi telafi etmek için uyarlamalı ters çevirme kayan mod kontrolörünü birleştirir. Kontrol sistemi, kontrol stratejisini akıllıca seçebilir ve su sirkülasyonu gibi harici parazitlerin derecesini değerlendirerek uygun kontrol stratejisini otomatik olarak seçebilir ve son olarak stabilite ve hızlı izleme amacına ulaşmak için harici paraziti ortadan kaldırabilir.
1 Sistem açıklaması
Bu yazıda incelenen su altı aracı, direksiyon dişlisi olmayan bir su altı aracına aittir ve dönüş yarıçapı bir direksiyon dişlisinden çok daha küçüktür.Rota izlemenin hızlı performansı ve esnekliği büyük ölçüde iyileştirilmelidir. Rota izleme şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir, burada EXEYE yer iki boyutlu düzlem koordinat sistemidir, oxy, uçak iki boyutlu düzlem gövde koordinat sistemidir, x rota açısıdır ve xd referans rota açısıdır.
Modelleme hataları ve çevresel müdahale gibi belirsiz faktörlerin etkisi göz önüne alındığında, bu küçük su altı aracının rota kontrol sistemi, birinci dereceden doğrusal olmayan bir pruva tepkisi denklemini benimseyebilir ve rota kontrol problemi şu şekilde tanımlanabilir:
2 Parazit gözlemciye dayalı uyarlamalı ters çevirme kayan modun tasarımı
Uçak sisteminin kontrol yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. Şekilde, x gerçek yön açısıdır, xd referans yön açısıdır, F, sistem belirsizliği ve dış ortamın bozulmasıyla oluşan sistemin toplam belirsizliği, toplam belirsizliğin tahmini değeri ve uc, kayan mod kontrolörünün çıktısıdır. uf, bozulma gözlemcisi tarafından tahmin edilen tazminat kontrol yasasının çıktı değeridir ve u, uçak sistemine gerçekte yüklenen kontrol girdisidir.
2.1 Girişim gözlemcisinin tasarımı
Girişim gözlemcisi aşağıdaki şekilde tasarlanmıştır:
2.2 Uyarlanabilir ters çevirme kayan mod kontrolörünün tasarımı
İstenen yön açısı komutunun xd olduğunu ve denetleyicinin aşağıdaki gibi tasarlandığını varsayalım.
Yön açısı takibi için izleme hatası:
İlk Lyapunov işlevini seçin:
3 Simülasyon araştırması
Bu yazıda incelenen su altı aracının gövdesi ABS malzeme ile 3 boyutlu olarak basılmıştır.Seyahat açısı ve açısal hız altı eksenli jiroskop ve ivmeölçer ile ölçülmüştür. Araç havuzunun hareket sahnesi Şekil 3'te gösterilmektedir.
Gerçek ilgili direksiyon yönü bilgisini denetleyiciye geri beslemek için donanım eylemsiz gezinme modülünü kullanın ve ardından kapalı döngü hareket kontrolü elde etmek için girişim gözlemcisine dayalı uyarlanabilir ters çevirme kayma modu kontrol yöntemini kullanın ve girişim gözlemcisi ve kayma modu denetleyicisi birlikte çalışır. , Ve sonunda rota izlemenin amacını anlayın.
Test sualtı aracının pruva kontrol denklemindeki sistem parametreleri şunlardır: a = -1,3, b = 23,3.
Simülasyon karşılaştırma deneyinde, havuz testindeki farklı derecelerde su akışı müdahalesi göz önüne alındığında, iki durumdaki etkileşim artık dikkate alınmaktadır:
Durum 1: F = sin (0.1t) dış çevre etkileşimi küçük olduğunda toplam belirsizlik;
Durum 2: F = 5sin (0.5t), harici girişim büyük olduğunda toplam belirsizliktir.
Kontrol algoritmasının müdahaleye karşı sağlamlığını doğrulamak için, seçilen parametreler şunlardır: l = 1.5, g = 9.3, c1 = 0.2, k1 = 0.2, h = 2, = 1, = 2.
Kayma modu kontrolünün neden olduğu titreme problemini önlemek için denklem (21) 'de işaret fonksiyonunun yerini almak için doygunluk fonksiyonu kullanılır ve simülasyon sonuçları Şekil 4 ila Şekil 8'de gösterilmektedir.
Simülasyon sonuçlarından, uçağa müdahale küçük olduğunda, sıradan uyarlanabilir kayan mod kontrol cihazının, ayarlanan istikametin kararlı takibini sağlamak için kullanılabileceği, ancak su altı paraziti arttığında, yani t = 'de görülebilmektedir. 10 saniyede büyük bir bozulma yüklendiğinde, sıradan kayan mod denetleyicisinin kararlı izleme elde etmesi zordur, ancak ek bir bozulma gözlemcisine sahip uyarlanabilir kayan mod denetleyicisi, bozulma büyük olduğunda, su altı istikametinin gereksinimlerini karşılayarak kararlı izleme elde edebilir. İyi kararlılık ve yüksek izleme doğruluğu, güçlü sağlamlık ve büyük parazit değişikliklerine uyarlanabilirlik için test gereksinimleri.
4 Akıllı yön kontrol tasarımı
Özetle, küçük su altı araçları, yüzey rotası izleme görevlerinin tamamlanması sırasında dinamik yanıt hızına ve izleme doğruluğuna duyarlıdır.Dış dünyadan farklı çevresel parazit seviyeleri göz önünde bulundurulduğunda, aşağıdaki akıllı kontroller şunları karşılayacak şekilde tasarlanmıştır:
(1) Harici parazit, kontrolör tarafından ayarlanan parazit eşiğinden daha düşük olduğunda, kontrolör parazit boyutunu otomatik olarak tanır, dinamik kayma modu kontrolörünü seçer ve izleme kararlılığı ve izleme doğruluğunu sağlama öncülüğünde kurs izleme görevini hızla tamamlar.
(2) Harici parazit, kontrolör tarafından belirlenen parazit eşiğinden daha büyük olduğunda, kontrolör başka bir NDO tabanlı uyarlanabilir kayan mod kontrolörü seçer ve temel olarak doğrusal olmayan parazit gözlemci yöntemiyle harici çevresel paraziti ortadan kaldırır ve son olarak referans başlığını gerçekleştirir. Kararlı izleme.
Akıllı sistemin özel gerçekleştirilmesi: Harici girişim giriş öğesi olarak sinüzoidal bir giriş eğrisi oluşturmak için Simulink blok şemasında IF modülünü, IF Eylem Alt Sistem modülünü ve karşılaştırma modülünü kullanın, girişimin genliği isteğe bağlı olarak ayarlanabilir ve harici girişim önce karşılaştırma modülü alt sistemine girer Girişim eşiği ile karşılaştırıldıktan sonra, karşılaştırma değeri IF modülüne girer ve son olarak kontrolörün seçimini belirleyerek akıllı yön kontrolünün tasarımını tamamlar.
Simülasyon araştırması için iki durumu düşünün:
(1) Girişim girdi eğrisi F = 0.5sin (0.1t) 'dir, yani girişimin küçük olduğu durum.
(2) Girişim girdi eğrisi F = 3sin (0.1t) 'dir, bu da girişimin büyük olduğu durumdur.
Bozukluğun büyüklüğüne göre Dinamik, uyarlamalı ters çevirme denetleyicisi 1 olarak tanımlanır ve NDO, bozulma gözlemcisine dayalı uyarlamalı evirme denetleyicisi 2'dir. Simülasyon sonuçları Şekil 9-12'de gösterilmektedir.
Şekil 9 ve Şekil 11'i karşılaştıran simülasyon sonuçları, girişim küçük olduğunda dinamik kayma modu kontrol stratejisini otomatik olarak seçer ve sistem izleme yanıt süresi daha hızlıdır.Girişim kritik değerin ötesinde arttığında, sistem otomatik olarak NDO tabanlı kayan mod kontrol stratejisine geçer. Hızını kaybetmeden sistemin stabilitesini sağlarken, kontrol sisteminin zekası daha da iyileştirilmiştir.
5. Sonuç
Bu tasarımın başlık kontrolörü, kayan mod kontrol yasasına dayalı olarak tasarlanmıştır.Dış ortamdan farklı çevresel müdahale dereceleri göz önünde bulundurularak, bir dinamik kayan mod kontrolörü ve bir NDO tabanlı uyarlamalı ters çevirme mod kontrolörü tasarlanmıştır. Her bir denetleyicinin özelliklerine ve parazit önleme yeteneğinin boyutuna göre, akıllı bir kurs denetleyicisi tasarlanmıştır. Kontrol sistemi önce su sirkülasyonu gibi harici parazitin derecesini değerlendirebilir ve ardından otomatik olarak uygun bir kontrol stratejisi seçebilir ve son olarak harici paraziti ortadan kaldırabilir ve izleme kararlılığını ve hızını artırabilir. Bu kontrol stratejisi, basit algoritma ve farklı kontrol stratejilerinin akıllıca seçilmesi avantajlarına sahiptir ve geri adım ve Lyapunov işlevinin kombinasyonu, teorik olarak uçak yönü izleme sisteminin küresel asimptotik stabilitesini sağlayabilir ve gereksinimleri karşılayabilir. Kararlı yön takibinin amacı, sistemin zekasını daha da geliştirir ve küçük bir yatay düzlemde yol planlamasının ve üç boyutlu uzayda hareket kontrolünün müteakip gerçekleştirilmesi için teorik bir temel sağlar.
Referanslar
Hu Zhonghui. Gemi Rotası Hareketinin Doğrusal Olmayan Uyarlamalı ve Optimal Kontrol Yöntemi Araştırması Harbin: Harbin Mühendislik Üniversitesi, 2013.
Mou Lijun, Gao Cunchen, Li Juan. Zaman Gecikmeli Rahatsız Edilmiş Ayrık Sistemler Sınıfı için Kayar Mod İzleme Kontrolü Kontrol ve Karar, 2008, 23 (8): 874-878.
CAPISANI L M, FERRARA A, MAQNANI L. Robot manipülatörleri için ikinci dereceden kayan mod hareket kontrolörünün tasarımı ve deneysel doğrulaması Int. J. of Control, 2009, 82 (2): 365-377.
Zhao Hewei, Song Zhaoqing, Yu Huaguo. Otonom insansız su altı aracı, uyarlanabilir kayan mod kontrolü Gemi Bilimi ve Teknolojisi, 2014, 36 (5): 106-109.
Yu Jing, Chen Mou, Jiang Changsheng. Bozukluk gözlemciye dayalı doğrusal olmayan belirsiz sistemler için uyarlamalı kayan mod kontrolü Kontrol Teorisi ve Uygulaması, 2014, 31 (8): 993-999.
Zhang Yuantao, Shi Weiren, Qiu Mingbo Doğrusal olmayan rahatsızlık gözlemciye dayalı kanat dengeleyici kayan mod ters çevirme kontrolü Kontrol ve Karar, 2010, 25 (8): 1255-1260.
Hu Hui, Liu Guorong Sinir ağı girişim gözlemcisine dayalı belirsiz doğrusal olmayan MIMO sistemleri sınıfının izleme kontrolü Control and Decision, 2009, 24 (3): 468-471.
Zhang Xianku Gemi yönünü korumak için doğrusal olmayan geriye adım atan güçlü kontrol algoritması Dalian Denizcilik Üniversitesi Dergisi, 2007, 33 (2): 80-83.
Wang Lin, Chen Nan, Gao Wei.Gemi rotasının arka adıma dayalı uyarlamalı kayma modu kontrolü Gemi Elektrik Teknolojisi, 2009, 32 (4): 16-18.
Liao Yulei, Pang Yongjie, Zhuang Jiayuan Su jeti tahrikli insansız geminin rota takibi için arkadan adımlanan uyarlanabilir kayma modu kontrolü Bilgisayar Uygulama Araştırması, 2012, 29 (1): 82-84.
Zhu Qidan, Zhou Fang, Zhao Guoliang, vb. Geriye adım atma yöntemine ve kayan mod gözlemciye dayalı gemi yönü kontrolü Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2009, 37 (4): 122-125.
Yan Maode, Xu Hualong, He Yuyao Otonom su altı araçları için uyarlanabilir geri-evrim yapısal kontrolör tasarımı Ateş Gücü ve Komuta Kontrolü, 2005, 30 (3): 18-21.
CHEN W H. Robotik manipülatörler için doğrusal olmayan bir rahatsızlık gözlemcisi Endüstriyel Elektronik üzerine IEEE Trans., 2000, 47 (4): 932-938.
Liu Jinkun. Kayan mod değişken yapı kontrolünün MATLAB simülasyonu (2. baskı) Pekin: Tsinghua University Press, 2012.
