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水下运载工具的仿真建模
摘要:这篇论文中我们得到一个非线性模型的模型设计新AUV波尔图大学数值系数。这是用理论和实证方法还通过采取类似的水下已知结果。我们通过替换传感器和执行器接口使用派生模型在MVS,模拟器嵌入在循环的控制软件中。
索引词——水下运载器、建模、仿真
一 介绍
新(AUV)设计并建立在水下系统和技术实验室(USTL)，在波尔图大学是一个小型鱼雷形状的车辆优化成一个低成本的机械结构。第一个模型被称为LAUV。它将被用来测试新的控制和软件件方法，不关注灾难性故障对货币的影响。

对于大多数方法,设计和优化的控制器需要一个系统模型。在本文我们计算水下机器人的非线性模型的数值系数。这是由诉诸理论和经验公式作为和通过建立类比模型从已经测试了的类似车辆,即L AUV,REMUS类车辆在树林里创建霍尔海洋研究所和定制的USTL。图显示了两辆车，该模型为允许执行更有趣的水中测试的控制器,如运行在恒定深度,远离表面。
仿真是一个检测控制系统的常用方式。我们描述了如何导出在MVS注册的模型。开发在USTL使用的MVS仿真系统是一个多个车辆动力发动机。开放的动态引擎是一个模拟刚体动力的来源，是一个高性能库，它被设计用于交互式或实时的仿真，它尤其适合于模拟移动对象在虚拟多变的现实环境运动。它是由一个动力学模拟的刚体和一个可选的碰撞检测引擎组成。它允许使用其他碰撞或没有碰撞检测库,获得更好的性能。ODE的发展始于2001年,它是不断增强的在线社区的用户, 它已经被应用于许多应用程序(参见[1],例如)和游戏。然而,我们不知道任何有关潜艇仿真方面所发表的作品。
最后我们描述整合MVS汽车的车载软件。基本上,MVS必须更换物理传感器和制动器的接口.这种方法的目的是这两个未修改的真实环境和模拟环境中允许实现软件单一的控制功能。大多数设计涉及不同的控制规律或导航测试方案。在大多数情况下,控制系统必须复制到一个不同语言的一个模拟环境。即使这样正确完成,很难实现与来自更新的其他最终来源控制系统保持一致，不是把独立的代码原型环境做为最后的版本,而是我们的方法要允许最终设计的软件的运行稳定。
本文组织如下,在第二部分我们回顾了通常用于水下的非线性模型结构，一些为特定配置的鱼雷形状的车辆。在第三节中我们得到实际的LAUV模型系数值。我们讨论稳态操作和敏感性模型的某些参数。在第四节我们描述实现模拟器。最后,在第五部分我们提出结论。
 
二 车辆的模型
自主水下航行器(AUV)是对非线性系统最好的描述 (见[2]详情)。为了定义模型，它被认为是两个固定：身体固定和接地固定。接下来，造船师和轮机工程师学会（SNAME）[3]， 在身体的固定框架所描述的6个的速度分量的议案中所描述的6个的速度分量s ν = [νT1,νT2]T =[u,v,w, p,q,r]T相对于以恒定的速度坐标系与海流，分别激增，摇摆，升降，侧，俯仰，偏航，在地球固定框架中六个组成部分的立场和态度，η =[ηT1,ηT2]T = [x,y,z,φ,θ,ψ]T. 地球固定参考帧可以被认为是AUV惯性。在这两个参考帧的速度要通过欧拉角变换。

运动方程由一个理想的标准条款的刚体运动组成。由水动力和力矩的条款，通常进行建模的流体动力学条件是考虑三个主要作用：恢复力，最简单的一种，这取决于只在车辆上的重量，浮力和重力和浮力的中心的相对位置的，增加的质量，它描述了自身压力诱导力/力矩迫谐运动和阻尼，所造成的皮肤摩擦（层流和湍流）和涡脱落，一般对阻尼矩阵元素进行定义，以便产生线性和二次部件，水动力阻尼和附加质量是很难准确地描述。他们通常是通过昂贵的流体动力学试验，但可以预计，另一种方法是通过简单的准确的启发式的公式， 

在固定框架的非线性运动方程：其中，M是车辆的恒定的惯性和附加的质量矩阵，（ν），C，D（ν）是科氏力和向心力矩阵，阻尼矩阵，，L（ν）是升降机矩阵，（有些作者包括这些术语对阻尼矩阵），g（η2）是载体的还原力和力矩，τ是向量，从制动器本体的固定力。如果车辆的重量等于它的浮力和重力中心与浮力的中心重合，壳（η2）是空的。此外，对于AUV端口/右舷，顶部/底部和前/后对称性，M，D（ν）是对角。所考虑的水下机器人不能完全制动。螺旋桨是在纵向方向的致动和翅片在横向和纵向的制动。这种机械配置了一个简单的动态模型。τ仅依赖三个参数：螺旋桨速度N（0<N≤n最大），水平鳍的倾斜的ΔS（δsmax≤ΔS≤δsmax）和“垂直尾翼倾角ΔR（δrmax≤ΔR≤δrmax）。动态的推进器的电机和翅片伺服系统通常比其余动力学快得多，因此，这项工作的目的，它们可以从模型中排除，我们也认为，车辆的端口/右舷底部/顶部在形状上是对称的，为安全起见，车辆通常是有一些浮力的。重心是稍低于中心的浮力，这是为欠驱动车辆的俯仰和侧滚提供恢复力矩。
 
三 LAUV型号
质轻的自治水下的车辆（LAUV）需要一个低成本的潜艇建造和设计的USTL海洋学和环境的调查。这是一个鱼雷形车辆，长108厘米，直径为15里面，重约18千克。制动器系统是由一个推进器和3或4个控制翅片（取决于在车辆上的版本）构成，所有都是电驱动的，它装有一个微型计算机系统运行的控制系统软件，它使用IMU单元，用于导航系统的深度传感器和LBL。预期最大速度为2m / s。
由于我们的建模方法将完成，另一种AUV，鲭结果的基础上，我们将这些结果作一简要回顾。鲭AUV是一个REMUS类定制的USTL的车辆。它是一个鱼雷形AUV约50千克车辆，并有1.4米的长度。对于鲭AUV，系数的值是从我们的现场实验得到的。质量条款，采用公式计算为一个椭圆形体，如[2]中描述。此种车辆的形状，是可以近似接受的，这些值根据条带理论[4]类似的AUV进行了分析。对于二次横流阻力系数，我们使用在[4]中得出的值。有显著差异，对于线性的阻力系数，我们使用我们的试验，即使用在[2]中所描述的程序中所测试的结果。请注意，由于在车辆的对称性，一些系数由于在垂直平面上的运动的影响与在水平平面上的运动的影响是一样的。对于惯性和附加的质量矩阵的LAUV，椭球的形式假定与鲭前进有相同的方式。鲭，在正常操作下，这AUV不会有任何形式的直接制动的滚动动态。因此，滚动稳定在一个被动的方式进行，通过降低相对于重心的浮力的中心，以建立一个恢复力矩。固定参考是浮力的中心，从重心到起源的距离是0.01米，为了简单起见，我们假定，质量分布在这样一种形势

在车辆的惯性张量可以包含翅片，使阻尼矩阵非对称，即便如此，车辆的对称性让我们可以有以下的简化，: Yv|v| = Zw|w|, Nv|v| = −Mw|w|，Yr|r| = −Zq|q|, Nr|r| = Mq|q|，同样的关系适用于非线性阻尼项：:Yv = Zw, Nv = −Mw, Yr = −Zq,Nr = Mq. 关于系数的实际值，我们将使用统一的水动力导数，由于两车的形式很相似，这款车的典型速度为U0：≃1.5m / s的。因此，阻尼矩阵具有

以下数值，请注意，用于低风速，二次项，egYv| V| | V|，可以认为是忽略不计。我们认为，由于翅片表面，也由于到身体表面的升力和力矩。对于本条款，请参阅深度描述，例如，[5]。
机器升力和力矩系数（Yuvb= Zuwb的数字值Nuvb=-Muwb）使用下面的公式，其中CLB= 1.24是一个经验系数，依赖于身体的长度和直径，得到：0.65L是一个压力重心的经验公式。
LAUV将有两个版本：一个四翅尾（两纵两横），还有这里考虑的一个三个鳍片尾（一个垂直和其他两个在垂直方向上±120度）的另一个版本。现介绍下间距鳍的升力和力矩的公式，（Sfin=64平方厘米翅片的面部区域，xfin=-40厘米的翅片相对于中心的浮力和CLF= 3本质上取决于翅片的几何方面）：舵鳍力和力矩的计算公式是类似的，因此，矩阵如下
所有上述假设，我们定义矩阵C（ν）与科氏力和向心力的条款（包括附加质量的影响）制动器系统是仿照以下方式：我们假设，螺旋桨产生一个恒定的推力力Xprop的，为了保持所需的稳定状态，引起的侧倾力矩，由推力，由下式给出-0.06Xprop，使用方程5和6计算的翅片力和力矩，各系数的值是Yuuδr = −Zuuδs = 9.6 and Nuuδr =Muuδs = −3.84.
A.线性阻尼
一些模型可在文献中找到，例如[6][7][8][9]，不考虑非线性阻尼条款，等等。此条款主要是由于层皮肤摩擦[2]，并在开发区进出口货物的系统设计中发挥重要作用，即在局部的稳定性分析，低风速的情况下，如果调节时不断深入，二次阻尼变得非常小。如果忽略非线性阻尼，线性化系统模型的平衡点附近可能会显示错误，这需要系统控制设计者来消除，一般通过添加衍生物，即阻尼的线性速度反馈形式。在实践中，这将导致一个设计的保守，由于阻尼的忽视有助于系统的稳定，事实上，这是可以在文献中找到例子，作者分析一个最坏的情况，忽视阻尼矩阵[10]，[11]。但是我们的现场经验表明，它可以执行深度调节，车辆使用的级联反应是两个中西按一定比例结合的控制器，对非线性阻尼的线性模型的分析指出，对衍生行为的强制使用（目前的情况下，状态变量的反馈）。
低成本汽车的设计，它是用最小的和最便宜的一套传感器，因此，假设没有直接的速度测量，如果一些传感器呈现明显的测量误差或明显噪声，是由于速度估计成为问题。这展示出一个正确估计线性阻尼项的重要性。
分析Routh-Hurwitz法的线性化系统的特征多项式和Lyapunov线性化方法（LLM），LLM是基于一下定理：（见，例如，[12]）：
•如果是严格稳定的线性系统，那么，平衡点是渐近稳定的实际非线性系统。
•如果是不稳定的线性化系统，那么，平衡点是不稳定的（非线性系统的）。
•如果线性系统临界稳定，那么不可以总结为近似线性
我们考虑以下线性模型的水下机器人的俯仰运动。通过分析特征多项式方程7，使用各自的数值系数，事实上，从开环的分析，我们验证极限环的存在：速度小就没有足够的阻尼使系统稳定。

注意,通过定义的平衡点( x˙ = 0) since q˙ = q,，我们可以得出结论，数值在任何平衡点q为零。我们用数值分析方法解决三个方程的系统。
这些方程的解对准确模型线性化是很有用的,它们也可以用来执行有用的稳态分析，例如,在这个阶段,我们不确定重心所在的确切位置,因为不同的硬件安排将受到检测，第三节中我们认为zG = 1厘米，表显示了稳态值的状态变量,还有线性化系统的极点,对于不同价值的假定值考虑。如果我们假设重心降至zG = 3厘米,车辆的行为也有所不同,如表二。正如预期的那样,因为对方恢复力矩是变大,需要更高的驱动值以达到一定的螺旋角，然而,这两个表的数值计算结果给我们一个好的估计值。
四 模拟
在这一节中,我们描述LAUV模拟器(MVS)以及LAUV MVS车载软件。要说的是,由于该软件体系结构,软件可以执行在不同类型的计算机和操作系统,后面会对这些东西进行描述。正如介绍里面说的,MVS基于ODE。ODE将解决以下方程。

ODE引擎允许不同类型的数值解决者，然而,在这个阶段的发展,开发人员推荐固定步骤解算器。因此,集成的运动方程是一阶算法(欧拉)且步长为0.01秒。对于这个模拟我们选择不使用任何碰撞检测,因为它是一个仿真车辆，这可以提高整体的模拟性能,降低在每个时间步的计算要求。
由于仿真的运行，这个世界的结构可以改变，车辆的初始状态定义后,然后仿真循环直到终止,会执行以下步骤:1)运用部队车辆(推力、鳍);b)采取模拟步骤;c)意图d车辆的位置、方向和速度。
对水下机器人的建模、流体动力和力矩在每一步必须提供给图书馆因为这些影响是不被引擎ODE计算的，此外,驱动也必须应用。
以这种方式,如果作用点的力被指定(默认为重心)，ODE会计算各自的时刻。例如,方案里的鳍,我们认为只提供产生力和鳍的相对重心。这同样适用于恢复力量。
然而,在其他情况下,至于阻尼矩阵,力量和时间的提供，要假设引力中心为原点的固定参考。为了模拟整个操作系统,LAUV是嵌入在水下机器人的控制软件，模拟器组件可用,除了模拟世界和物理身体,它替代了传感器和制动器。在下面我们的描述实现模拟器在LAUV的车载软件。对于这个目标,我们对软件体系结构做一个简短的描述。
DUNE达到松散耦合的组件之间的分区相关的逻辑操作组成孤立的集(或任务在DUNE的术语)。通常几个并行和串行执行的任务将在DUNE共存。任务可以随时启动或终止，在DUNE的执行期间。任务间的通信和同步是使用无锁/无等待消息总线并通过信息的交换实现的。内部消息格式通过网络链接也用于日志记录和与外部软件模块沟通。
最后,LAUV模拟器实现了包装在一个DUNE的非侵入性的MVS周期性任务。为了保持实时同步和仿真的行为的稳定和可预测性,因为我们使用一个时间累加器。因此累计时间错误的效果被消除。其它方法的仿真结果是相同的。LAUV的的计算系统包括一个400 mhz的英特尔XScale PXA255处理器，安装在一个专用的南方浸信会(单板计算机),额外的模块接口，车辆的传感器和执行器上。当运行仿真程序,软件使用CPU11%的处理能力。这表明当前的模型可以模拟比实时，即使在相对温和的CPU更快的速度
五 结论
他根据模拟模型显示的结果,推导出符合预期行为的车辆。然而,由于不确定性的一些系数，比如那些阻力的影响，该模型在很短的时间内只能验证水下测试地点。另一方面,大多数模型系数可以通过描述准确估计。因此,我们可硬用这个模型来研究车辆的某些模型系数的敏感性行为。
引用
[1]米歇尔,“专业的移动机器人仿真”,国际先进的机器人系统杂志》,卷一,没有。
[2] 指导和控制海洋的车辆。约翰•威利父子公司。1994。
[3]刘易斯,艾德。,造船的原则。造船工程学会,1989,2日修订。
[4]“验证一个六度的仿真模型自由年代”,硕士论文,本月的技术/应用,马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的海洋,部门和机械工程,2001。
[5]”发展一个六度的自由同时情况模型水下自主航行器”,在海洋,2001。MTS / IEEE会议和展览》,卷一,2001年11月5 - 8,450 - 455第1页。
[6]伦纳德和雕刻刀,“基于模型的反馈控制欺诈自主水下滑翔机,“IEEE杂志特刊海洋工程师自治海洋采样网络,第26卷,没有。4,页633 - 645,2001年10月。
[7]孔蒂,造型和仿真的波形的车辆,“在计算机辅助控制系统设计,1996。,进行自身的1996年IEEE国际研讨会,1996年9月15,62 - 67页。
[8]雷利,.育种学”潜艇动力模型凌,“在Proc。澳大利亚。机器人和自动化,布里斯班,2003年12月。
[9]伦纳德,“稳定稳定的运动一个水下技术密集语言接触教学法”,在美国1996年IEEE会议决定和控制,1996年12月,页961 - 966。
[10]莱纳德,大肠桑塔格,“奇异里斯在多输入时间最优问题:应用程序来控制机械系统,《动力和控制系统,没有。73 - 88页,2003。
[11]李,应用非线性控制。普伦蒂斯·霍尔出版社,1991年。
12]费雷拉,马丁斯,大肠马奎斯,平托,马丁斯，阿尔梅达,索萨,大肠席尔瓦,“剑鱼:一个自治表面技术教育网络中心战”,在海洋2007会议(出现)、阿伯丁、苏格兰,2007年6月。