AUV由于其自主性强、运动灵活等特点,在海洋观测[1 − 3]、水下组网[4,5]、水下目标跟踪[6,7]等领域发挥了重要作用。动力学模型作为机器人研究的一项重要内容,在AUV设计阶段的受力分析、控制算法设计、计算机仿真验证等方面有着重要作用。
文献[8−9]通过N-E(Newton-Euler)方程研究了四旋翼无人机的动力学问题。在建模过程中,将旋翼作为质点,仅提供升力而忽略旋翼自身转动以及旋翼与本体之间的相互作用。文献[10−12]从能量出发,推导出机械手、Delta机器人的L-E(Lagrange-Euler)方程。该方法需计算动能和势能,通过求解二阶微分方程获得最终的动力学模型,计算机求解效率较低。Kane动力学运算效率高、模型结构简单,非常适合处理多刚体建模问题,满足实时控制的需求。该方法已应用在无人自行车[13]、船载Stewart平台[14]、太空探测车[15]、F直升机吊装系统[16]、机械手[17]的动力学建模问题中。
本文将Kane方程应用在X舵欠驱动AUV的动力学建模中,可避免N-E方程建模时,需考虑的舵与AUV本体之间的相互作用力,也不需计算L-E方程建模时用到的动能和势能以及求解二阶微分方程。该方法可清晰地展示哪些力对X舵欠驱动AUV的动力学模型有贡献,也可非常方便地将外界作用力添加到动力学方程中。
1 坐标系与旋转矩阵X舵欠驱动AUV是由本体和X舵组成,坐标系如图1和图2所示。为了便于公式的推导,本文引入Z函数。
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图 1 惯性坐标系与载体坐标系 Fig. 1 The inertia coordinate and body coordinate |
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图 2 舵及其载体坐标系 Fig. 2 Rudder and body coordinate |
AUV本体相对于惯性坐标系的旋转矩阵为:
EbR=(bER)T=[Z4Z6−Z2Z5+Z1Z3Z6Z1Z5+Z2Z3Z6Z4Z5Z2Z6+Z1Z3Z5−Z1Z6+Z2Z3Z5−Z3Z1Z4Z2Z4]。 | (1) |
X舵是由4个独立的舵组成(见图2),
舵1可看作是载体坐标系
X舵欠驱动AUV本体有6个自由度,X舵有4个自由度,因此,广义坐标可写为:
q={xg,yg,zg,ϕ,θ,ψ,δ1,δ2,δ3,δ4}。 | (2) |
式中:
u1=˙xg, u2=˙yg, u3=˙zg, u4=˙ϕ, u5=˙θ, u6=˙ψ, u7=˙δ1, u8=˙δ2, u9=˙δ3, u10=˙δ4。 | (3) |
AUV本体的角速度在载体坐标系
bωb=pnx+qny+rnz=(u4−Z3u6)nx+(Z2u5+Z1Z4u6)ny+(−Z1u5+Z2Z4u6)nz。 | (4) |
式中:
由偏角速度的计算公式
˜ωb,1=0, ˜ωb,2=0, ˜ωb,3=0, ˜ωb,4=nx, ˜ωb,5=(Z2ny−Z1nz)˜ωb,6=(Z1Z4ny+Z2Z4nz), ˜ωb,7=˜ωb,8=˜ωb,9=˜ωb,10=0, | (5) |
因此,AUV本体重心处的速度在载体坐标系
bvg=unx+vny+wnz=(Z4Z6u1+Z4Z5u2−Z3u3)nx+(Z7u1+Z8u2+Z1Z4u3)ny+(Z9u1+Z10u2+Z2Z4u3)nz。 | (6) |
式中:
AUV本体浮心处的速度在载体坐标系
bvc=bvg+bωb×brgc=[Z4Z6u1+Z4Z5u2−Z3u3+Z11u5+Z12u6]nx+[Z7u1+Z8u2+Z1Z4u3−zgcu4−xgcZ1u5+Z13u6]ny+[Z9u1+Z10u2+Z2Z4u3+ygcu4−xgcZ2u5−Z14u6,]nz。 | (7) |
式中:
推进器与本体连接处位于载体坐标系
bvT=bvg+bωb×brg,T=[Z4Z6u1+Z4Z5u2−Z3u3]nx+[Z7u1+Z8u2+Z1Z4u3−xg,TZ1u5+xg,TZ2Z4u6]ny+[Z9u1+Z10u2+Z2Z4u3−xg,TZ2u5−xg,TZ1Z4u6]nz。 | (8) |
式中,
由偏速度计算公式
˜vc,1=Z4Z6nx+Z7ny+Z9nz, ˜vc,2=Z4Z5nx+Z8ny+Z10nz,˜vc,3=−Z3nx+Z1Z4ny+Z2Z4nz, ˜vc,4=−zgcny+ygcnz,˜vc,5=Z11nx−xgcZ1ny−xgcZ2nz, ˜vc,6=Z12nx+Z13ny−Z14nz˜vc,7= ˜vc,8=˜vc,9=˜vc,10=0。 | (9) |
˜vg,1=Z4Z6nx+Z7ny+Z9nz, ˜vg,2=Z4Z5nx+Z8ny+Z10nz˜vg,3=−Z3nx+Z1Z4ny+Z2Z4nz, ˜vg,4=˜vg,5=˜vg,6= ˜vg,7= ˜vg,8= ˜vg,9= ˜vg,10=0, | (10) |
˜vT,1=Z4Z6nx+Z7ny+Z9nz, ˜vT,2=Z4Z5nx+Z8ny+Z10nz˜vT,3=−Z3nx+Z1Z4ny+Z2Z4nz, ˜vT,5=−xg,TZ1ny−xg,TZ2nz˜vT,6=xg,TZ2Z4ny−xg,TZ1Z4nz, ˜vT,4= ˜vT,7= ˜vT,8= ˜vT,9= ˜vT,10=0。 | (11) |
AUV本体重心处的加速度的矢量形式为:
bag=dbvgdt=Z15nx+Z16ny+Z17nz。 | (12) |
式中:
AUV本体角加速度的矢量形式为:
bαb=dbωbdt=Z18nx+Z19ny+Z20nz。 | (13) |
式中:
X舵的角速度分别为:
iωi=ibRbωb+˙δini,y=iωi,xni,x+iωi,yni,y+iωi,zni,z(i=1,2,3,4)。 | (14) |
式中:
偏角速度可表示为:
˜ωi,r=∂iωi/∂ur (i=1, 2, 3, 4), | (15) |
X舵重心处的速度为:
ivig=ibRbvg+ibR(bω×brg,Oi)+iωi×irOi,ig=ivig,xni,x+ivig,yni,y+ivig,zni,z(i=1,2,3,4)。 | (16) |
式中:
X舵重心处的偏速度为:
˜vig,r=∂ivig/∂ivig∂ur∂ur,(i=1,2,3,4), | (17) |
舵的角加速度为:
iαi=diωidt=iαi,xni,x+iαi,yni,y+iαi,zni,z,(i=1,2,3,4)。 | (18) |
式中:
舵重心处的加速度为:
iaig=divigdt=iaig,xni,x+iaig,yni,y+iaig,zni,z,(i=1,2,3,4)。 | (19) |
式中:
AUV本体的质量为
AUV本体的惯性力和惯性矩为:
F∗b=−mbbag=F∗b,xnx+F∗b,yny+F∗b,znz,T∗b=−bIbbαb−bωb×bIb⋅bωb=T∗b,xnx+T∗b,yny+T∗b,znz。 | (20) |
式中:
AUV本体的惯性力和惯性矩对广义惯性力的贡献
F∗M,1=Z4Z6F∗b,x+Z7F∗b,y+Z9F∗b,z, F∗M,2=Z4Z5F∗b,x+Z8F∗b,y+Z10F∗b,zF∗M,3=−Z3F∗b,x+Z1Z4F∗b,y+Z2Z4F∗b,z, F∗M,4=T∗b,x, F∗M,5=Z2T∗b,y−Z1T∗b,zF∗M,6=Z1Z4T∗b,y+Z2Z4T∗b,z, F∗M,7=F∗M,8=F∗M,9=F∗M,10=0。 | (21) |
施加在AUV本体上的水动力和水动力矩对广义主动力的贡献
Fb,1=Z4Z6Fb,x+Z7Fb,y+Z9Fb,z, Fb,2=Z4Z5Fb,x+Z8Fb,y+Z10Fb,zFb,3=−Z3Fb,x+Z1Z4Fb,y+Z2Z4Fb,z,Fh,4=Tb,x,Fb,5=Z2Tb,y−Z1Tb,zFb,6=Z1Z4Tb,y+Z2Z4Tb,z, Fb,7=Fb,8=Fb,8=Fb,10=0。 | (22) |
AUV本体重力对广义主动力的贡献
FG,1=Z4Z6Gb,x+Z7Gb,y+Z9Gb,z, FG,2=Z4Z5Gb,x+Z8Gb,y+Z10Gb,zFG,3=−Z3Gb,x+Z1Z4Gb,y+Z2Z4Gb,z, FG,r=0(r=4, 5, ⋯, 10), | (23) |
式中,
AUV本体浮力对广义主动力的贡献
FB,1=Z4Z6Bb,x+Z7Bb,y+Z9Bb,z, FB,2=Z4Z5Bb,x+Z8Bb,y+Z10Bb,zFB,3=−Z3Bb,x+Z1Z4Bb,y+Z2Z4Bb,z,FG,r=0(r=4,5, ⋯, 10), | (24) |
式中,
推进器推力对广义主动力的贡献
FT,1=Z4Z6T, FT,2=Z4Z5T, FT,3=−Z3T,FT,4=FT,5=FT,6=FT,7=FT,8=0, | (25) |
舵对AUV本体的反作用力矩
F−1,1=F−1,2=F−1,3=F−1,4=F−1,7=F−1,8=F−1,9=F−1,10=0, F−1,5=−√2/√222Z2T−1+√2/√222Z1T−1, F−1,6=−√2/√222T−1(Z1Z4+Z2Z4)F−2,1=F−2,2=F−2,3=F−2,4=F−2,7=F−2,8=F−2,9=F−2,10=0F−2,5=√2/√222Z2T−2+√2/√222Z1T−2, F−2,6=√2/√222T−2(Z1Z4−Z2Z4)F−3,1=F−3,2=F−3,3=F−3,4=F−3,7=F−3,8=F−3,9=F−3,10=0,F−3,5=√2/√222Z2T−3−√2/√222Z1T−3, F−3,6=√2/√222T−3(Z1Z4+Z2Z4)F−4,1=F−4,2=F−4,3=F−4,4=F−4,7=F−4,8=F−4,9=F−4,10=0F−4,5=−√2/√222Z2T4−√2/√222Z1T−4, F−4,6=√2/√222T−4(−Z1Z4+Z2Z4)。 | (26) |
AUV本体的广义主动力为:
FM,r=Fb,r+FG,r+FB,r+FT,r+F−1,r+F−2,r+F−3,r+F−4,r, (r=1,2,⋯,10)。 | (27) |
第
舵的惯性力和惯性矩为:
F∗i=−miiaig=F∗i,xni,x+F∗i,yni,y+F∗i,zni,z,T∗i=−iIi,giαi−iωi×iIi,g⋅iωi=T∗i,xni,x+T∗i,yni,y+T∗i,zni,z。 | (28) |
式中:
X舵对广义惯性力的贡献为:
F∗X,r=4∑i=1(F∗i⋅˜vig,r+T∗i⋅˜ωi,r),(r=1,2,⋯,10), | (29) |
X舵的重力和浮力对广义主动力的贡献为:
FGX,r=4∑i=1Gi⋅˜vig,r,(r=1,2,⋯,10), | (30) |
FBX,r=4∑i=1Bi⋅˜vig,r,(r=1,2,⋯,10)。 | (31) |
X舵的水动力和水动力矩为:
Fh,i=Xδiδiδ2iu2nx+Yδiδiu2ny+Zδiδiu2nz,Th,i=Kδiδiu2nx+Mδiδiu2ny+Nδiδiu2nz。 | (32) |
式中:
X舵的水动力对广义主动力的贡献为:
FHX,r=4∑i=1(Fh,i⋅˜vig,r+Th,i⋅˜ωi,r),(r=1,2,⋯,10), | (33) |
X舵上的扭矩对广义主动力的贡献为:
FTX,r=4∑i=1Ti⋅˜ωi,r,(r=1,2,⋯,10), | (34) |
X舵的广义主动力为:
FX,r=FGX,r+FBX,r+FHX,r+FTX,r, | (35) |
X舵欠驱动AUV的动力学方程为:
F∗M,r+F∗X,r+FM,r+FX,r=0 (r=1,2,⋯,10)。 | (36) |
为了验证模型的有效性,利用Matlab/Simulink中的S函数,求解式(36),状态量为广义坐标,输入为推进器推力、舵角,输出为广义坐标。在Matlab/Simulink环境下设计滑模控制器,搭建仿真验证平台,分别对垂直面(见图3)和水平面(见图4)的路径跟踪问题进行仿真验证,仿真结果与AUV运动规律一致,表明该建模方法有效。
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图 3 垂直面路径跟踪 Fig. 3 Path tracking in the vertical plane |
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图 4 水平面路径跟踪 Fig. 4 Path tracking in the horizontal plane |
本文详细介绍偏速度、偏角速度、广义惯性力、广义主动力的计算方法,展示凯恩动力学的建模步骤,推导出X舵欠驱动AUV的凯恩动力学模型。该建模方法分别计算AUV本体和X舵的广义主动力和广义惯性力,可非常方便地添加AUV本体和X舵的相互作用,也可清晰地展示作用在X舵欠驱动AUV上的力对动力学模型的影响。仿真结果表明该建模方法有效。
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