关于水下机器人运动姿态的生物触发涡环推进器动力学建模与控制
Michael Krieg，IEEE学生会员，Kamran Mohseni，IEEE会员
摘要
一种新型的水下推力器被设计用于给水下机器人提供高精度、低速的动力。这些推进器因为位于水下机器人的内表面，故而对水下机器人前进时艏端阻力影响很小。受头足类动物和水母的自然推进的启发，这些推进器通过不断地从安装在机器上的空腔中吸入和排出水，来产生控制动力。喷射过程没有净质量通量，但产生了正动量通量。通过建立推力随时间变化的数学模型，预测了推力随时间、驱动频率和推力驱动参数的变化规律。通过建立推力器和水下机器人的近似线性传递函数模型，将水下机器人运动姿态分为巡航、对接和过渡三种状态。并且通过仿真验证了预测的频率响应，进而为预测一般趋势和截止频率提供了准确的依据。
关键词：自动水下水下航行器(AUV)，控制，机动，推进，涡环
1.绪论
水下机器人的精确操纵与控制是一个复杂的多层面控制问题。典型推力器和操纵面动力学高度非线性，这使得在没有任何其他因素的情况下控制水下机器人非常困难。最重要的是，水下机器人所处的环境会诱发水动力，而水动力模型很差，高度依赖于水下机器人的相对速度，而且最重要的是会受到洋流扰动的干扰。为了排除这些干扰，水下机器人的机动系统必须能够瞬时非耦合校正推进[1]。
具有主动推进能力的典型水下水下航行器可分为两类。第一种，被称为“鱼雷”型水下机器人，它具有细长的、符合流体力学的形状，并且从机器动力角度充分利用其控制表面。伍德霍尔海洋研究所(WHOI)的REMUS是鱼雷型水下机器人的一个很好的例子。这种水下机器人在高速长距离行驶时效率很高。然而，在低速下，控制表面不提供动力，水下机器人无法精确控制其运动轨迹。第二类水下机器人被称为“箱式”设计。这种类型水下机器人的特点是体积大(低展弦比)，多个推进器安置在几个位置，提供任何方向必要的控制力量。这些水下机器人能进行精确的低速机动，但有非常低的最高速度和低效率的远程运输。遥控水下机器人(rov)依靠一根脐带缆来获得动力和控制，这从本质上限制了机动性。因此，大多数水下机器人外形使用的方块形设计，如WHOI的杰森或蒙特利湾水族馆研究所(MBARI)的文塔纳。此外，传统的螺旋桨式推进器在公称转速下，工作时效率非常高。然而，精确定位往往需要短脉冲，这对应于螺旋桨旋转的单次旋转顺序，导致不可预测的控制力[2]。再加上环境的不可预测性，使得传统的螺旋桨式推进器对于精确操纵来说并不理想。
水下机器人已经被设计成隧道型推力器，这种推力器贯穿水下机器人的机身，在不影响前进阻力的情况下，为水下机器人提供低速机动能力。然而，有人发现，当存在交叉流时，隧道型推力器的效率较低，而且有人观察到，即使在终止后，隧道推力器仍能继续产生动力[3]。
水下机器人最理想的组成部分之一，就是能够按需要，连续不断地观测和数据收集。这可以用于环境监测(温度、盐度和海洋流速测量)或更活跃的传感网络，如海岸交通监测。包括于自治海洋取样网络(AOSN)[4]一[6]，水下机器人必须同时具备鱼雷和箱式水下机器人的优点，因为一个完全自主的传感器网络水下机器人必须有一些加油、编译数据和接收新任务目标的方法，同时有即时通讯和远程航行能力，进而使得水下机器人的特性调查时间低于理论研究动力学相关的周期时间[7]。
生物推动能力:一种海洋物种，在迁徙过程中具有长距离旅行的能力[8]
图1所示。水下射流运动概念图。
和精确的小型水下机器人机动一样，乌贼也是如此(这可以从它们作为捕食者的成功中看出[9]，[10])。为了向前推进，乌贼首先通过头部后面的缝隙将周围的液体吸入地幔腔。当液体被完全吸收后，头部被拉向身体，关闭进气口。环绕幔腔的一系列环状肌肉收缩，迫使液体通过位于触手附近头部下方的虹吸管。高能剪切层滚入涡旋环，涡旋环将高动量流体喷出，利用反作用原理，射流使得乌贼飞快远离，如图1所示。这种喷水推进的方法在很大程度上被海洋研究界所忽视，因而只有较少的人们对产生推力的实际机制有所了解。为了理解这些基本的动力学原理，我们小组开发了计算工具和机械工具来研究这种产生推力的方法。在[11]一[13]中对不同种类水母体内推力产生和流体输送的精确方法进行了计算研究。此外，我们研制了一种机械模拟装置:推力器，它能产生类似乌贼的射流，以确定产生推力的重要操作参数。这种新型推力器可能成为自主传感器网络应用的理想解决方案。为便于参考，图2为推力器样机的计算机辅助设计(CAD)模型(设计用于独立控制运行参数)，图3为设计用于在最佳条件下运行的执行器的最终版本。执行机构本身完全包含在水下机器人内，在水下机器人表面只有一个小开口。因此，这些控制装置对水下水下航行器的前向阻力影响很小，可以实现有效的远距离航行。此外，这些执行机构的位置允许完全矢量的推力，即使水下机器人的前进速度为零。这就使得入坞检验的所有动作得以展开。
本文将描述在水下机器人结构中实现这类推进器需要的重要考虑事项，并将按照以下章节进行论述。第二节将介绍执行机构的基本概念。第三节将描述测试设置并总结静态测试的结果。第四节将讨论推力器的时变响应。第六节将分析推力器系统的实际频率响应(开环和闭环响应)。第七节给出了一种适用于海洋环境的干扰抑制算法。第八节概述了在这一技术领域仍需进行的研究和工作的未来方向。结束语载于第九节。
图2所示。利用可调实验推力器的CAD模型，建立了流体机械手段的概念模型
2.推进器概述
第一次测试是在涡环推力器(VRT)的原型上进行的，该推力器的设计易于调整。该原型的CAD模型以及影响推力产生的关键组件的概念图如图2所示，。推力器可以被认为是类似于乌贼的模型，该装置包括一个类似于乌贼腔幔的大腔体(在飞行器内部)，腔体内部有一个流体操纵器，它可以改变腔体的体积，并迫使流体在一端的开口中进出。通过不断地吸入和排出液体，推进器产生了一系列高动量涡环，这些涡环将它们的冲量传递给水下水下航行器。本实验使用的流体机械手是一种半柔性的手风琴式波纹管。该柱塞经过加固，以确保流体体积流量与柱塞的线性挠度保持一致。尽管该装置的净质量流量为零(由于摄入和排出阶段在单孔板中移动的流体量相同)，但它有类似于用于气流控制的合成射流装置的正向动量流量，;有关合成喷气发动机的更多信息，请参阅Glezer和Amitay[14]的综述。
实验推力器:本研究中的推力器采用机械驱动机构，以确保一致性，并提供对运行参数的独立控制;同时，研究也使用了电磁驱动器[15]和声学驱动器[16]的推力器。该机械驱动机构由一个反馈控制的直流电机组成，该电机减速以增加扭矩，连接到一个碟形凸轮，碟形凸轮的轨道驱动流体机械手的直线运动。在本研究中使用的凸轮在施加恒定转速时产生正弦柱塞偏转。驱动机理将在第四节第二部分进一步论述。
图4所示。不同六自由度飞行器上一系列推进器的流体机械臂几何形状与推力能力的比较
图3所示。水下航行器模型VRT在透明的外壳，允许可视化访问组件
图3是后来的推力器模型，它被安装在一个测试用的水下机器人上面(该水下机器人在第8节中进行了详细讨论，如图18所示)。这个版本的推力器清楚地展示了这些推力器紧凑的模块化设计。事实上，推力器对飞行器的体积影响与典型的螺旋桨推力器非常相似。图4为具有6自由度(DOF)能力的水下机器人上各种机动推进器的峰值推力输出与流体机械手面积的关系。发动机和其他驱动机构的效率与产生推力的流体驱动方式无关。因此，应该根据驱动流体的底层控制器来比较不同的推力技术。对于螺旋桨，这个控制器是螺旋桨叶片本身，而这个研究的VRT在内部腔内使用一个灵活的柱塞，因此控制器区域是柱塞表面的表面积。这个比较包含其他几个实验推进器（这些推进器被设计用于给提供水下机器人精确机动能力，并且没有折合推进阻力），包括安装在自主水下水下航行器(AUV)[17]上的隧道推进器, 型面高度不大的的螺旋桨推进器位于Starbug AUV[18]的内控制面,而划鳍(可作为高速前进时的控制器)就像是在菲尼根罗布龟身上一样[19], [20]。从理论上讲，这种比较包括在商业上可获得的常规安装的螺旋桨推进器(典型的箱式伟科里斯推进器)，在迷你“漫游者“号和”黄貂鱼“号上发现的1/2马力的底栖生物模型[21],[22], 在“姆巴里水獭”号(也是一种混合级机器)[23]上发现的1/4马力可变磁阻推进器，以及在“奥丁”号(一种实验用高精度机器)[24]上发现的排档锁定推进器。基于图3所示的水下航行器-推力器模型，比较了VRT的推力能力和机械手面积。需要指出的是，包括隧道推进器在内，大多数推进器的推力能力与操纵器面积的比值是相同的(这用点线表示)。与一般曲线的微小变化是由于叶片角度的变化，以提高方向效率。唯一的例外是低剖面螺旋桨推进器，它的驱动机构与螺旋桨本身集成在一起，显著降低了对水下航行器的总体积影响，这一事实限制了它的性能。可以看出，VRT在体积上与螺旋桨式推进器具有竞争力，这意味着对于给定的设计推力能力，使用VRTs不会比商用螺旋桨推进器占用更多的体积。然而，使用VRT将消除对复杂管道的需求(如隧道推进器)，减少推力稳定的时间(见第四节)，并提高小尺度脉冲推力精度。由于这仍然是一种非常新的产生推力的技术，在这个阶段，我们的工作集中在推进器的流体力学和力学特性上。因此，功耗还没有得到广泛的表征;但是，作为一般的参考点，图4的推力器在最大容量下工作时消耗的功率约为12w。
图5所示。为本试验研制的推力器试验箱。实验水池很接近1 m x 1.3 m x 2.3 m
3.静态推进器测试
3.1试验条件设置
第二章中描述的推力器悬浮在2.5 kl试验池(专门为本研究设计的)中包含的流体储集层中，如图5所示。与油箱框架连接的轴承装置位于顶部，将推力器筒体的运动限制在一个轴上。用PCB 1102测压元件测量这个方向产生的推力，并在10khz采样。
3.2汇总结果
VRT在[25]和[26]的整个操作条件下运行，以确定推力生产对特征操作参数的依赖关系。同时，建立VRT模型以此来预测推力输出。这个模型假定被排出的射流包含在一个单独的、不同的段塞流体中。假定这个流体段塞的冲量、循环和能量的变化率与这些量在推进器开度上的通量相同。该段塞模型预测了相对于穿过装置开口的动量通量的推力。假设流体以匀速流出推力器，由于流体在静止状态开始和结束，因此在摄入阶段没有净动量通量(有关段塞模型的更深入描述，请参见[25])。该模型预测了推力与推力脉动频率和射流几何约束的关系。更具体地说，如果射流以正弦出口速度剖面进行脉冲，则在整个脉冲周期内的平均推力为：
在这个方程中,f是推力激励的频率,rho;是流体密度,是平均稳态推力，L和D假设的圆柱体流体的长度和直径(见图2)，而且如果没有剪切作用，与射流大小相同。对于这些射流，直径将考虑特征几何。射流的长度按直径(L/D)之比称为冲程比率。在一些研究中[27][28]，这个比率被称为“形成时间”，因为它也等于喷气机第一次启动的时间，无量纲的射流速度和直径L/D = ，其中为排出时间(喷射机需要的时间)。
可以发现，对于更高的冲程比，推力饱和达到临界频率后。这个关键的频率随着行程比的增加而减小。这种现象是由于涡环的夹断或与尾涡分离剪切流是在[25]中解释的，其中深入的分析了不同喷射参数对喷油效果的影响推力生产。对于本文的研究，冲程比被设置为一个大约5的常数。设置这个数值，不需要经历夹止(对于给定的射流体积)推力器就能产生最大推力。这使得推力可以通过(1)被精确的建模。
4推进器瞬态响应
第三节总结了以往实验的静态试验结果，验证了段塞模型在预测不同工况下产生的平均推力方面的有效性，但对推力器的瞬态行为没有说明。事实上，产生的推力是一个高度动态的推力，对这些瞬态特性的完整描述是实现任何高精度控制算法所必需的。
本文在实验过程中观察到推力器瞬态特性的两个主要特征。第一个特征是与达到段塞模型定义的平均推力相关的稳定时间，与螺旋桨式推进器[2]、[29]类似，VRT具有时间延迟，与所需推力成反比。但是，应该注意的是这种类型推力器的稳定时间为几分之一秒，而典型的螺旋桨式推力器的稳定时间为几秒[2]、[29]。这种稳定时间可以用类似于一阶线性阻尼来建模。在该表达式中，是（1）中描述的推力稳态水平，完全可以认为是驱动参数，因此可以被认为是一个控制信号),是瞬态推力信号的直流分量,是T一个时间常数。假设推力器从静止开始，稳态推力保持不变，推力方程的解就变成了：
（1）
通过分析几种与时间有关的推力数据集，确定了稳定推力水平的稳定时间依赖性。通过使用最小二乘法,瞬态推力设置成适合的形式，以此确定之前每组的衰减时间常数。安装在一阶阻尼器的动态推力曲线稳态推力水平曲线如图6所示。由这些拟合曲线可以确定稳定时间，其中推力达到稳态推力的95%时，相当于启动后的三倍时间常数。推进器的特征时间尺度,可以确定从稳态推力时期（一个脉动）开始,因为它与稳态推力水平成反比的平方(1) 。图7表明推进器跟踪提供了一个良好的描述推进器跟踪动态、自驱动期间特征时间常数，因为激励时间与由拟合曲线计算得到的时延几乎是相同的。
图7所示，推力稳定时间是稳态推力水平的函数
图6所示。推进器瞬态响应符合一阶延迟
虽然上升时间依赖于推力水平，但沉降时间和驱动周期之间的强相关性表明，应该有可能收敛到一个由振荡周期缩放的一维时间常数上。考虑
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资料编号：[1629]
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