水下自主航行器的横滚抑制控制系统设计
康永泽+邓生平
摘 要： 水下自主航行器受到扰动影响容易产生横滚，为了提高水下航行器的稳定性，提出一种基于横滚抑制的水下自主航行器控制系统设计方法。系统设计主要包括了控制算法设计和系统的硬件模块化设计，采用鲁棒性PID 控制算法进行控制律设计，构建静态神经元控制时滞闭环系统，采用严格反馈抑制方法进行横滚抑制，在程序加载电路中进行控制算法加载。硬件设计主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。最后进行系统调试和仿真分析，结果表明，采用该控制系统能有效抑制水下自主航行器的横滚，进行姿态修正，提高航行稳定性。
关键词： 水下自主航行器； 航行器横滚抑制； 控制系统； PID控制算法
中图分类号： TN964?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0085?03
Abstract： The underwater autonomous vehicle affected with disturbance may produce the roll. In order to improve the stability of the underwater vehicle， a design method of underwater autonomous vehicle control system based on roll suppression is proposed. The system design includes the control algorithm design and system hardware modular design. The robustness PID control algorithm is used to design the control law， and construct the time?delay closed?loop system controlled with static neural cell. The strict feedback suppression method is used to suppress the roll. The control algorithm is loaded into the program loading circuit. The hardware design mainly includes the design of A/D sampling circuit， control information processor， servo mechanism and control output circuit of navigation attitude. The system debugging and simulation analysis were carried out. The simulation results show that the control system can restrain the roll of underwater autonomous vehicle effectively， correct the posture， and improve the navigation stability.
Keywords： underwater autonomous vehicle； vehicle roll suppression； control system； PID control algorithm
0 引 言
水下自主航行器（Underwater Autonomous Vehicle， UAV）常見的如鱼雷、声呐诱饵、水声探测器等，水下自主航行器在水下航行过程中需要控制系统进行实时姿态修正和控制，保障航行器的稳定可靠航行[1]。水下自主航行器在水下航行中受到海洋涌流和海底混响因素的影响，导致姿态参量的自整定性不好，容易产生横滚，需要进行横滚抑制控制。研究水下自主航行器的横滚抑制控制系统设计，对改善水下自主航行器的稳定性，提高水下自主航行器的航行性能方面具有重要的意义。
1 控制系统的总体设计构架
1.1 水下自主航行器的控制原理
对水下自主航行器的横滚抑制及稳定性控制设计普遍采用的是固定控制器+增益规划的控制方案，设计过程主要分为三步：第一步是进行航行稳定性控制算法的设计，确定水下自主航行器的横滚抑制及稳定性控制的约束参量和控制目标函数，采用参数自整定性调整方法进行横滚抑制及稳定性控制，提高水下自主航行器的稳定性；第二步是进行横滚抑制及稳定性控制器的具体设计，包括系统的外围器件选择和DSP数字信心处理芯片的选择，结合控制算法的程序加载实现对水下自主航行器的稳定性控制；第三步是进行系统集成和软件开发，通过反复的控制器参数调试，进行试验航行，应用于水下自主航行器的应用实践中[2?3]。
水下自主航行器的横滚抑制控制系统设计组成主要由水下自主航行器横滚抑制控制的信息感知系统、横滚抑制控制系统、惯性深控模块、指令装置模块、敏感元件模块（包括速率陀螺、加速度计、方向陀螺和压力传感器等）、驱动器模块、稳态控制模块和信号处理器，单通道的水下自主航行器的控制系统基本组成如图1所示。
1.2 控制系统功能技术指标分析
水下自主航行器的横滚抑制控制器采用嵌入式控制器PXI?8155向控制系统发出控制指令，DSP接收PCI总线传递的UAV信息，如采样率、采样通道数，水下自主航行器横滚抑制控制系统设计的技术指标描述如下[4?5]：
（1） 压控放大器记录动态范围为-40～40 dB，指令周期为DMA0，基阵接收的姿态控制信息扩展总量为100 dB，电压信号在0～4.095 V之间；
（2） 横滚抑制控制系统实时时钟RTC设定为11，模拟预处理机动态范围为-12～0 dB；
（3） 采用多传感器进行水下自主航行器的姿态采样，姿态控制信息采样率1 024 kHz，满足奈奎斯特采样定理；
（4） A/D模块中VME总线传输的A/D分辨率：10位（至少）；
（5） D/A转换速率>200 kHz；
（6） 最大发射电压响应级SvL和发射声压级SL满足135 dB<sl<143
根据上述功能模块分析和控制系统的技术指标描述，进行水下自主航行器横滚抑制控制系统的集成开发与设计。
2 控制律设计
在上述进行了水下自主航行器横滚抑制控制系统的总体设计描述和功能技术指标分析的基础上，进行控制律设计。采用鲁棒性PID 控制算法进行控制律设计[6?7]，构建静态神经元控制时滞闭环系统，采用严格反馈抑制方法进行横滚抑制，水下自主航行器横滚抑制控制的PID 控制结构框图如图2所示。
在图2所示的PID 控制器中，其中是水下自主航行器的姿态传递函数，是控制通道，与是航行深度偏差控制系数和冲激响应函数。利用水下自主航行的姿态稳定性线性调节原理，在干扰作用下，航行器保持平衡航行的姿态惯性权重满足，，采用最小误差跟踪设计方法，得到期望轨迹输出为：
在水下自主航行器控制输入变量确定的情况下，首先建立被控系统的姿态跟踪轨迹矩阵：
式中，控制系统从在速度坐标系下的中心速度矢量满足的输出稳定性条件，以水下自主航行器的标准弹道为基准，基于分裂波束的目标定向法，得到水下自主航行器相对标准弹道的偏差量，水下自主航行器的稳定性控制三通道模型为：
根据Lyapunove稳定性原理[8]，利用本文方法进行水下自主航行器反馈横滚抑制控制律具有较好的稳定收敛性，控制误差具有快速收敛到零的优点。
3 控制系统的硬件设计
进行系统模块化设计，主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。
（1） 航行姿态A/D采样电路。该模块完成对水下自主航行器横滚抑制控制信息的数据采集，通过CPLD编程ADM706SAR进行数/模转换，得到A/D电路设计如图3所示。
（2） 控制信息处理器。控制信息处理器是控制系统的核心单元，采用JTAG接口使用IEEE 1149.1标准扫描逻辑电路进行控制信息加载和控制律的程序写入，在完成9054的初始化配置后，将I/O初始化控制寄存器 CNTRL[25]（使能位）设置为“1”，DSP通过双端口RAM（IDT70V28）进行数据通信，得到控制信息处理器接口连线。
（3） 伺服机构。伺服机构完成数/模转换和控制信息驱动，采用标准的VPP仪器驱动程序进行水下自主航行器横滚抑制控制系统的多线程控制。
（4） 控制输出电路。在控制输出电路中，将接收到的输入时钟变换为CPU能识别的执行程序，采用高速信号处理器+高速A/D实现控制中心的程序驱动和控制输出，得到控制输出电路如图4所示。
4 系统仿真测试分析
为了测试系统的稳定性和可靠性，进行系统调试和仿真实验分析，采用两通道、12位数/模转换芯片进行控制数据写入，由DSP的地址线A0控制输出8路D/A转换信号，，LDA#和LDB#依次与5409A数据总线连接，系统用5 V和3.3 V电压给芯片供电以方便调试，得到水下航行器横滚抑制控制系统的参量输出结果如图5所示。
分析控制性能得知，水下自主航行器控制系统采用50 MHz的参考控制信号输入，分辨率可达0.011 6 Hz，能较好地满足横滚抑制的需求，提高了UAV的水下航行稳定性。
5 结 语
为了提高水下航行器的稳定性，本文设计了一种基于横滚抑制的水下自主航行器控制系统。系统设计主要包括控制算法设计和系统的硬件模块化设计，采用鲁棒性PID 控制算法进行控制律設计，硬件设计主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。最后进行系统调试和仿真分析得出，采用该控制系统能有效抑制水下自主航行器的横滚，进行姿态修正，提高航行稳定性，具有较好的应用价值。
参考文献
[1] 李鹏，孙未蒙，李文强，等.一种改进积分滑模面在飞控中的应用[J].控制工程，2010，17（3）：269?271.
[2] 杨兴明，余忠宇.两轮移动倒立摆的开关切换模糊极点配置控制器设计[J].电路与系统学报，2012，17（4）：58?62.
[3] 周勇，甘新年，胡光波，等.鱼雷制导控制系统多通道控制加权算法设计[J].现代电子技术，2014，37（19）：14?17.
[4] 赵威.强海水混响背景下水中兵器攻击目标检测研究[J].智能计算机与应用，2016，6（2）：51?54.
[5] 葛立志.基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真[J].舰船电子工程，2015，35（3）：137?141.
[6] ALFARO V M， VILANOVAB R. Robust tuning of 2DoF five?parameter PID controllers for inverse response controlled processes [J]. Journal of process control， 2013， 23（4）： 453?462.
[7] XIA K， CAI J， WU Y. Research on improved network data fault?tolerant transmission optimization algorithm [J]. Journal of convergence information technology， 2012， 7（19）： 208?213.
[8] BARRO D J F，WILSON S K， KAHN J M. Comparison of orthogonal frequency?division multiplexing and pulse?amplitude modulation in indoor optical wireless links [J]. IEEE transactions on communications， 2012， 60（1）： 153?163.
</sl
摘 要： 水下自主航行器受到扰动影响容易产生横滚，为了提高水下航行器的稳定性，提出一种基于横滚抑制的水下自主航行器控制系统设计方法。系统设计主要包括了控制算法设计和系统的硬件模块化设计，采用鲁棒性PID 控制算法进行控制律设计，构建静态神经元控制时滞闭环系统，采用严格反馈抑制方法进行横滚抑制，在程序加载电路中进行控制算法加载。硬件设计主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。最后进行系统调试和仿真分析，结果表明，采用该控制系统能有效抑制水下自主航行器的横滚，进行姿态修正，提高航行稳定性。
关键词： 水下自主航行器； 航行器横滚抑制； 控制系统； PID控制算法
中图分类号： TN964?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0085?03
Abstract： The underwater autonomous vehicle affected with disturbance may produce the roll. In order to improve the stability of the underwater vehicle， a design method of underwater autonomous vehicle control system based on roll suppression is proposed. The system design includes the control algorithm design and system hardware modular design. The robustness PID control algorithm is used to design the control law， and construct the time?delay closed?loop system controlled with static neural cell. The strict feedback suppression method is used to suppress the roll. The control algorithm is loaded into the program loading circuit. The hardware design mainly includes the design of A/D sampling circuit， control information processor， servo mechanism and control output circuit of navigation attitude. The system debugging and simulation analysis were carried out. The simulation results show that the control system can restrain the roll of underwater autonomous vehicle effectively， correct the posture， and improve the navigation stability.
Keywords： underwater autonomous vehicle； vehicle roll suppression； control system； PID control algorithm
0 引 言
水下自主航行器（Underwater Autonomous Vehicle， UAV）常見的如鱼雷、声呐诱饵、水声探测器等，水下自主航行器在水下航行过程中需要控制系统进行实时姿态修正和控制，保障航行器的稳定可靠航行[1]。水下自主航行器在水下航行中受到海洋涌流和海底混响因素的影响，导致姿态参量的自整定性不好，容易产生横滚，需要进行横滚抑制控制。研究水下自主航行器的横滚抑制控制系统设计，对改善水下自主航行器的稳定性，提高水下自主航行器的航行性能方面具有重要的意义。
1 控制系统的总体设计构架
1.1 水下自主航行器的控制原理
对水下自主航行器的横滚抑制及稳定性控制设计普遍采用的是固定控制器+增益规划的控制方案，设计过程主要分为三步：第一步是进行航行稳定性控制算法的设计，确定水下自主航行器的横滚抑制及稳定性控制的约束参量和控制目标函数，采用参数自整定性调整方法进行横滚抑制及稳定性控制，提高水下自主航行器的稳定性；第二步是进行横滚抑制及稳定性控制器的具体设计，包括系统的外围器件选择和DSP数字信心处理芯片的选择，结合控制算法的程序加载实现对水下自主航行器的稳定性控制；第三步是进行系统集成和软件开发，通过反复的控制器参数调试，进行试验航行，应用于水下自主航行器的应用实践中[2?3]。
水下自主航行器的横滚抑制控制系统设计组成主要由水下自主航行器横滚抑制控制的信息感知系统、横滚抑制控制系统、惯性深控模块、指令装置模块、敏感元件模块（包括速率陀螺、加速度计、方向陀螺和压力传感器等）、驱动器模块、稳态控制模块和信号处理器，单通道的水下自主航行器的控制系统基本组成如图1所示。
1.2 控制系统功能技术指标分析
水下自主航行器的横滚抑制控制器采用嵌入式控制器PXI?8155向控制系统发出控制指令，DSP接收PCI总线传递的UAV信息，如采样率、采样通道数，水下自主航行器横滚抑制控制系统设计的技术指标描述如下[4?5]：
（1） 压控放大器记录动态范围为-40～40 dB，指令周期为DMA0，基阵接收的姿态控制信息扩展总量为100 dB，电压信号在0～4.095 V之间；
（2） 横滚抑制控制系统实时时钟RTC设定为11，模拟预处理机动态范围为-12～0 dB；
（3） 采用多传感器进行水下自主航行器的姿态采样，姿态控制信息采样率1 024 kHz，满足奈奎斯特采样定理；
（4） A/D模块中VME总线传输的A/D分辨率：10位（至少）；
（5） D/A转换速率>200 kHz；
（6） 最大发射电压响应级SvL和发射声压级SL满足135 dB<sl<143
根据上述功能模块分析和控制系统的技术指标描述，进行水下自主航行器横滚抑制控制系统的集成开发与设计。
2 控制律设计
在上述进行了水下自主航行器横滚抑制控制系统的总体设计描述和功能技术指标分析的基础上，进行控制律设计。采用鲁棒性PID 控制算法进行控制律设计[6?7]，构建静态神经元控制时滞闭环系统，采用严格反馈抑制方法进行横滚抑制，水下自主航行器横滚抑制控制的PID 控制结构框图如图2所示。
在图2所示的PID 控制器中，其中是水下自主航行器的姿态传递函数，是控制通道，与是航行深度偏差控制系数和冲激响应函数。利用水下自主航行的姿态稳定性线性调节原理，在干扰作用下，航行器保持平衡航行的姿态惯性权重满足，，采用最小误差跟踪设计方法，得到期望轨迹输出为：
在水下自主航行器控制输入变量确定的情况下，首先建立被控系统的姿态跟踪轨迹矩阵：
式中，控制系统从在速度坐标系下的中心速度矢量满足的输出稳定性条件，以水下自主航行器的标准弹道为基准，基于分裂波束的目标定向法，得到水下自主航行器相对标准弹道的偏差量，水下自主航行器的稳定性控制三通道模型为：
根据Lyapunove稳定性原理[8]，利用本文方法进行水下自主航行器反馈横滚抑制控制律具有较好的稳定收敛性，控制误差具有快速收敛到零的优点。
3 控制系统的硬件设计
进行系统模块化设计，主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。
（1） 航行姿态A/D采样电路。该模块完成对水下自主航行器横滚抑制控制信息的数据采集，通过CPLD编程ADM706SAR进行数/模转换，得到A/D电路设计如图3所示。
（2） 控制信息处理器。控制信息处理器是控制系统的核心单元，采用JTAG接口使用IEEE 1149.1标准扫描逻辑电路进行控制信息加载和控制律的程序写入，在完成9054的初始化配置后，将I/O初始化控制寄存器 CNTRL[25]（使能位）设置为“1”，DSP通过双端口RAM（IDT70V28）进行数据通信，得到控制信息处理器接口连线。
（3） 伺服机构。伺服机构完成数/模转换和控制信息驱动，采用标准的VPP仪器驱动程序进行水下自主航行器横滚抑制控制系统的多线程控制。
（4） 控制输出电路。在控制输出电路中，将接收到的输入时钟变换为CPU能识别的执行程序，采用高速信号处理器+高速A/D实现控制中心的程序驱动和控制输出，得到控制输出电路如图4所示。
4 系统仿真测试分析
为了测试系统的稳定性和可靠性，进行系统调试和仿真实验分析，采用两通道、12位数/模转换芯片进行控制数据写入，由DSP的地址线A0控制输出8路D/A转换信号，，LDA#和LDB#依次与5409A数据总线连接，系统用5 V和3.3 V电压给芯片供电以方便调试，得到水下航行器横滚抑制控制系统的参量输出结果如图5所示。
分析控制性能得知，水下自主航行器控制系统采用50 MHz的参考控制信号输入，分辨率可达0.011 6 Hz，能较好地满足横滚抑制的需求，提高了UAV的水下航行稳定性。
5 结 语
为了提高水下航行器的稳定性，本文设计了一种基于横滚抑制的水下自主航行器控制系统。系统设计主要包括控制算法设计和系统的硬件模块化设计，采用鲁棒性PID 控制算法进行控制律設计，硬件设计主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。最后进行系统调试和仿真分析得出，采用该控制系统能有效抑制水下自主航行器的横滚，进行姿态修正，提高航行稳定性，具有较好的应用价值。
参考文献
[1] 李鹏，孙未蒙，李文强，等.一种改进积分滑模面在飞控中的应用[J].控制工程，2010，17（3）：269?271.
[2] 杨兴明，余忠宇.两轮移动倒立摆的开关切换模糊极点配置控制器设计[J].电路与系统学报，2012，17（4）：58?62.
[3] 周勇，甘新年，胡光波，等.鱼雷制导控制系统多通道控制加权算法设计[J].现代电子技术，2014，37（19）：14?17.
[4] 赵威.强海水混响背景下水中兵器攻击目标检测研究[J].智能计算机与应用，2016，6（2）：51?54.
[5] 葛立志.基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真[J].舰船电子工程，2015，35（3）：137?141.
[6] ALFARO V M， VILANOVAB R. Robust tuning of 2DoF five?parameter PID controllers for inverse response controlled processes [J]. Journal of process control， 2013， 23（4）： 453?462.
[7] XIA K， CAI J， WU Y. Research on improved network data fault?tolerant transmission optimization algorithm [J]. Journal of convergence information technology， 2012， 7（19）： 208?213.
[8] BARRO D J F，WILSON S K， KAHN J M. Comparison of orthogonal frequency?division multiplexing and pulse?amplitude modulation in indoor optical wireless links [J]. IEEE transactions on communications， 2012， 60（1）： 153?163.
</sl
