文摘

提出一个最优调节器深度控制仿真的自主水下航行器(AUV)使用新方法的分散的系统环境称为开放控制平台((OCP)。提出了仿真结果验证了该方法的性能。

1。介绍

AUV允许一个有效的操作,具有分散结构的新算法。一个名为开放控制平台的新软件基础设施((OCP)允许导航信息的变化和控制组件(1- - - - - -3]。一个通过CORBA中间件(OCP扩展了实时中间件技术。在[4),很多漂亮的例子为AUV控制算法做了几个平台,但在软件工程实现广泛开放。

2。运动方程

简化的六自由度运动方程的无量纲形式被认为是在本文5]: = ̇ − + − 2 + 2 + ( − ̇ ) + , ( + ̇ ) = ̇ + − + ( + ̇ ) − 2 + 2 + , ̇ ( − ̇ ) = − + + ( − ̇ ) + ( + ̇ ) − 2 + 2 , = ̇ + − + ( − ̇ ) − 2 − 2 − ( + ̇ ) + ( ̇ − + ) − , ( ̇ + − ) = ̇ + − − ( + ̇ ) − ( − ̇ ) − 2 − 2 + ( ̇ − + ) − , ( ̇ − + ) = ̇ + − − 2 − 2 − ( + ̇ ) + ( − ̇ ) + ( ̇ + − ) − , ( ̇ − − ) ( 1 ) 在那里, , , 分别飙升,摇摆,和升沉力; , , 分别辊、音高和偏航力矩; , , 分别为辊、音高和偏航率; , , 分别飙升,摇摆,和升沉速度; , , 身体固定轴积极向前,右,下,分别; , , 转动惯量在吗 设在, 设在, 分别设在; , , 纵向、横向和垂直重心的位置,分别; , , 滚,球场上,分别和偏航角。在线性化的几个步骤(6,7控制输入),垂直运动方程 给出如下: ̇ = , − ̇ ̇ − + ̇ ̇ = + + + 2 , − ̇ − ̇ + − ̇ ̇ = − − + + − − 2 , ̇ = − + 。 ( 2 ) 最后,引用NPS AUV1的物理参数(8),状态空间方程得到: ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ̇ ̇ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ = ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ + ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ 0 0 ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ̇ ̇ 0 0 1 0 0 。 0 1 7 5 − 1 。 2 7 3 − 3 。 5 5 9 0 − 0 。 0 5 2 1 。 2 7 3 − 2 。 6 6 1 0 − 5 1 0 0 0 。 0 8 5 2 1 。 7 9 。 ( 3 )

3所示。控制器设计

采用线性二次型(LQ)伺服执行下面命令参考输入。考虑一个 阶系统 输入和 输出。让状态向量 ( ) = ( ( ) ; ( ) ] ,在那里 ( ) ∈ × 1 是输出和 ( ) ∈ ( − ) × 1 其他系统状态。让 ( ) = ( ) − ( ) ∈ × 1 误差向量 ( ) ∈ × 1 计划作为输出,是哪一个 ( ) ∈ × 1 是参考。的状态空间模型可以写成如下: ̇ ( ) = ( ) + ( ) ( 4 ) 与 ( ) = ( ) , ( ) = ( ) , 是 ( 0 × ( − ) × ] , 是 ( ( − ) × ( − ) 0 ( − ) × ] 。

LQ最优控制问题是找到一个控制律 ( ) = − ( ) 最小化的性能指标 ∫ = ∞ 0 ( ( ) ( ) + ( ) ( ) ] ,在那里 = − 1 和 黎卡提微分方程的解决方案吗 + + − 1 + = 0 的加权矩阵 ≥ 0 和 > 0 。

的控制输入 ( ) = − ( ) ,控制增益 由由 = ( ] ,在那里 ∈ × 和 ∈ × ( − ) 。然后可以得到控制律: ( ) = − ( ) − ( ) + ( ) 。 ( 5 )

用(5)(4),闭环系统的微分方程如下: ̇ ( ) = − − ( ) + ( ) 。 ( 6 )

解决方案(6)可以通过使用龙格-库塔第四阶近似: ( + 1 ) = ( ) + ( 1 + 2 2 + 2 3 + 4 ) 6 , ( 7 ) 在哪里 1 = ( , ( ) ) , 2 = ( + ( ℎ / 2 ) , ( ) + ( ℎ / 2 ) 1 ) , 3 = ( + ( ℎ / 2 ) , ( ) + ( ℎ / 2 ) 2 ) , 4 = ( + ℎ , ( ) + ℎ 3 ) 。

4所示。系统环境

在图1的基础设施(OCP线性二次使用两个节点的电脑伺服模拟测试床一般10 Mb以太网,PC1服务器和PC2客户端,通过使用CORBA中间件连接事件通道(9]。


图1
(OCP基础设施。

PC1用于运行车辆的Matlab仿真模型和控制算法,而PC2用于运行一个Matlab仿真任务控制站。图2说明了一个操作c++和Matlab之间的接口。通过此接口,通过CORBA和c++从PC2收集数据创建ASCII格式的数据文件。Matlab第一次拿起了c++中保存的数据,然后执行矩阵运算。结果发送回c++的ASCII文件格式,和c++继续执行通信任务发送结果。


图2
Matlab和c++接口。

在图3CORBA事件服务提供了一个灵活的模型,为异步和组分布式对象之间的沟通。消费者的终极目标事件生成的供应商。供应商和消费者既能扮演主动和被动的角色。积极推动供应商把一个事件一个被动的推动消费者;被动拉等待供应商主动把消费者拉一个事件。


图3
事件通道体系结构。

5。仿真结果

在这个模拟过程中,我们的目标是控制速度的AUV 2米/秒, 接近于零的水平,和深度 −附近5米和15次对抗时间,然后改变深度−3米15倍柜台时间更多。

然后AUV回到−5米深度与15倍对抗时间,最后回到−3米深度,如图4。假设4°潜水飞机当螺旋角偏离从0到5°,AUV到达−5英尺0.95英尺的深度偏移。因此,所有条款 → 0 和 → 0 ,除了 1 1 = ( 4 / 5 7 。 2 9 5 8 ) − 2 = 2 0 5 。 2 1 , 4 4 = ( 5 / 5 7 。 2 9 5 8 ) − 2 = 1 3 1 。 3 1 , 1 1 = ( 0 。 9 5 ) − 2 = 1 1 0 。


图4
深度控制轨迹。

在图5,控制输入的历史。它是基于深度参考输入和输出反馈。强制控制输入值代表了不同深度参考输入和输出反馈。提出了状态变量的历史由输入角、螺距率在移动,输入角(OCP,俯仰率(OCP。我们也可以看到,控制算法是最优的,因为输入角度值是12°和14°产生音高速率达到超过40°/ s和15°/ s;然而通过使用(OCP,输入角度值是20°和5°产生音高率达到超过36°/ s和8°/ s。


图5
输入角、螺距率和螺旋角。

加权矩阵的选择(OCP环境中可以在运行时执行。为了增加机器智能的程度,我们执行一个标准模拟使用单一权重矩阵,比较分析房地产的增益矩阵, 为 为 = 0 。 4 7 5 4 使用标准的模拟 为 为 = 0 。 5 8 1 4 (OCP。

6。结束语

本文提出了一种新方法的分散的系统环境使用Matlab和CORBA事件通道在几个机器;我们相信它将会出现更多的调查在实时控制系统的当前趋势或双边控制系统。

我们建议的方法捕获仿真结果证明(OCP可以用来提供额外交付方法用于分发任何导航信息在AUV的实现。我们未来的工作将在这一领域进行更多的实验和测量,提高应用程序的可伸缩性分配大的导航信息。

确认

摘要财务支持的知识经济部(MKE)和韩国工业技术基础(KOTEF)通过人力资源培训项目战略技术。