1、概述

水下機(jī)器人ARMs 1.0是一款集教學(xué)與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機(jī)器人，其滿足日常學(xué)生船舶原理和自控原理相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，兼顧流體力學(xué)分析、船舶操縱性研究、導(dǎo)航制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)等學(xué)科專業(yè)研究。本平臺提供一套便攜式水下機(jī)器人硬件組件，基本的艇載嵌入式運(yùn)動(dòng)控制程序和岸基監(jiān)控軟件，便于開展學(xué)習(xí)船舶原理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成、嵌入式程序編寫和調(diào)試、自控算法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、岸基監(jiān)控軟件開發(fā)和聯(lián)調(diào)等方面工作，完整系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程遙控操縱、自主操縱性試驗(yàn)、自主循跡航行等能力。

ARMs 1.0系統(tǒng)組成見圖1，其由水下機(jī)器人本體和岸基監(jiān)控組成，兩者通過光纖、WiFi或無線電進(jìn)行通信。

   圖1 ARMs 1.0系統(tǒng)組成

2、3D打印小型水下機(jī)器人ARMs系統(tǒng)特點(diǎn)

?模塊化外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以片段或艙段的方式更換附體、延長電子艙、拓展負(fù)載、更換動(dòng)力形式；

?集總式控制系統(tǒng)集成，將艇載電子設(shè)備集總到艇載樹莓派計(jì)算機(jī)上，滿足算力和IO能力的同時(shí)減少系統(tǒng)復(fù)雜度；

?分層嵌入式程序架構(gòu)，縱向分層隔離，提供與硬件設(shè)備“一對一"的功能模塊層模塊，用戶只需調(diào)用下層API進(jìn)行應(yīng)用層開發(fā)；

?功能完備的系統(tǒng)案例，提供機(jī)器人應(yīng)用層程序和岸基監(jiān)控軟件作為二次開發(fā)案例，案例具備遙控和自主航行、任務(wù)下達(dá)、參數(shù)設(shè)置、日志下載分析等功能。

3、3D打印小型水下機(jī)器人ARMs技術(shù)參數(shù)

    表1 ARMs 1.0技術(shù)參數(shù)

4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

?水下機(jī)器人認(rèn)知實(shí)驗(yàn)（船舶原理、機(jī)器人原理、坐標(biāo)系、數(shù)學(xué)建模、自主控制系統(tǒng)）；

?水下機(jī)器人接口驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（狀態(tài)采集、無線通信、數(shù)據(jù)可視化）；

?遙控操縱實(shí)驗(yàn)（水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理、系統(tǒng)運(yùn)行和搖操步驟）；

?操縱性實(shí)驗(yàn)（操縱性試驗(yàn)流程、自主操縱程序、數(shù)據(jù)分析）；

?自主控制實(shí)驗(yàn)（定向航行、定深航行、路徑跟蹤）。

5、實(shí)驗(yàn)示例

5.1操縱性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

（1）了解多種操縱試驗(yàn)的流程和方法，如Z形操縱、回轉(zhuǎn)操縱、超越試驗(yàn)和空間螺旋試驗(yàn)等；

（2）掌握艇載程序框架，植入待執(zhí)行的操縱自主控制程序；

（3）分析航行日志，提取操縱性指標(biāo)，評估水下機(jī)器人操縱性能；

試驗(yàn)方法

操縱性試驗(yàn)用于檢驗(yàn)機(jī)器人操縱性能的優(yōu)劣，為機(jī)器人搖操人員提供操縱性資料，為設(shè)計(jì)和科研提供數(shù)據(jù)資料。首先了解標(biāo)準(zhǔn)操縱性試驗(yàn)的流程、關(guān)鍵指標(biāo)和數(shù)據(jù)分析方法。然后根據(jù)不同操縱的操舵流程編寫自主控制程序，進(jìn)行干態(tài)調(diào)試和水中航行試驗(yàn)。最后下載航行日志，分析航行數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵操縱指標(biāo)，如Z性操縱的超越角，回轉(zhuǎn)操縱的回轉(zhuǎn)半徑和周期。

    圖2 湖試場景

    圖3 Z形操縱試驗(yàn)

    圖4 空間螺旋試驗(yàn)

5.2定向航行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

（1）了解反饋控制思想和經(jīng)典PID控制器及參數(shù)整定方法；

（2）掌握艇載程序框架，植入艏向跟蹤PID控制程序；

（3）進(jìn)行艏向跟蹤調(diào)試和PID參數(shù)整定航行實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)方法

針對水下機(jī)器人的艏向跟蹤目標(biāo)，繪制出如圖5所示的反饋控制框圖，其中AHRS作為傳感器提供艏向反饋，控制器輸入艏向誤差計(jì)算舵角指令，方向舵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供轉(zhuǎn)艏力矩，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)使水下機(jī)器人跟蹤給定艏向航行。

    圖5 艏向自動(dòng)控制框圖

控制器采用PID方法，其框圖見圖6。輸入艏向跟蹤誤差，根據(jù)當(dāng)前誤差，誤差積分和誤差微分加權(quán)計(jì)算出方向舵控制舵角。

    圖6 PID控制框架

通過調(diào)整PID增益，可使艏向跟蹤精度優(yōu)于1度，見圖7。

    圖7 艏向跟蹤曲線

       5.3單環(huán)控制定深航行試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

（1）了解反饋控制思想和非線性控制理論；

（2）學(xué)習(xí)自抗擾控制架構(gòu)和方法；

（3）設(shè)計(jì)深度跟蹤自抗擾控制方法并部署；

（4）進(jìn)行深度跟蹤控制試驗(yàn)并整定控制參數(shù)；

實(shí)驗(yàn)方法

針對水下機(jī)器人的深度跟蹤目標(biāo)，繪制出如圖8所示的反饋控制框圖，其中深度計(jì)作為傳感器提供深度反饋，控制器輸入深度誤差計(jì)算舵角指令，升降舵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供轉(zhuǎn)艏力矩，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)使水下機(jī)器人跟蹤給定深度航行。

    圖8 深度自動(dòng)控制框圖

控制器采用自抗擾控制方法，其框圖見圖9。其核心思想是通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器輸入反饋深度和升降舵舵角估計(jì)出深度運(yùn)動(dòng)的復(fù)合干擾，并將其補(bǔ)償?shù)椒蔷€性誤差反饋計(jì)算的控制量中。首先使用跟蹤微分器為輸入信號安排過渡過程，并給出過渡過程的微分信號。然后將誤差和誤差微分輸入到非線性誤差反饋計(jì)算控制量，最后在控制量中補(bǔ)償擴(kuò)張狀態(tài)觀測器觀測出的復(fù)合干擾作為最終的升降舵控制量。

    圖9 自抗擾控制框圖

自抗擾控制為非線性控制，具有抗擾能力通過調(diào)整控制器增益，可使深度跟蹤精度優(yōu)于1厘米，見圖10。

    圖10深度自抗擾跟蹤曲線