對(duì)於較大型的載人載具風(fēng)險(xiǎn)過高或根本無法嘗試的應(yīng)用，例如北極地帶探索、水下建橋與管線檢測(cè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化，自主水下載具（autonomous underwater vehicles；AUV）是適合機(jī)動(dòng)操縱的工具。本文敘述瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）的團(tuán)隊(duì)研究採取控制策略，如何讓AUV以最低的能源消耗自主運(yùn)行完成時(shí)間更長、複雜度更高的任務(wù)。
自主水下載具（AUV）如同空中的飛行器，在許多對(duì)於較大型的載人載具風(fēng)險(xiǎn)過高或根本無法嘗試的應(yīng)用會(huì)是比較適合的選擇。這類應(yīng)用包括北極地帶探索、水下建橋與管線檢測(cè)、以及水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化，通常會(huì)需要AUV行駛一定的距離來抵達(dá)目標(biāo)位置。一旦到達(dá)目標(biāo)位置，載具可能還會(huì)需要執(zhí)行敏捷的機(jī)動(dòng)操縱，或是水下機(jī)動(dòng)運(yùn)行（hydrobatics），來捕捉圖片、影片、和其他重要的資料。
有幾項(xiàng)因素讓這類AUV控制演算法的開發(fā)變得複雜。在這些最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之中，無線電訊號(hào)在水中的衰減使得AUV在深海遠(yuǎn)距運(yùn)行時(shí)無法可靠地接收GPS或通訊訊號(hào)。由於缺乏通訊，更顯現(xiàn)AUV自主運(yùn)行能力的重要性。
在瑞典皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology；KTH）的團(tuán)隊(duì)研究控制策略，讓AUV能夠以最低的能源消耗完成時(shí)間更長、複雜度更高的任務(wù)。我們使用MATLAB和Simulink提供以模型為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)流程（Model-Based Design），模擬、優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)我們開發(fā)的控制演算法。經(jīng)由這種方法可以先透過模擬快速地開發(fā)及評(píng)估演算法，然後在機(jī)動(dòng)運(yùn)行的AUV SAM（圖1）上面進(jìn)行演算法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試—並且提高研究的速度。
| 圖1 : SAM AUV（上）和其3D圖示（下）。SAM是由瑞典皇家理工學(xué)院的海洋機(jī)器人中心所設(shè)計(jì)。 |
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AUV設(shè)計(jì)的工程權(quán)衡
當(dāng)被設(shè)計(jì)來就地懸停（hover）的AUV通常會(huì)搭載多個(gè)推進(jìn)器，使得AUV體積龐大，也因此無法輕易負(fù)擔(dān)長距離的航行。另一方面，雖然細(xì)長型的AUV可以航行更遠(yuǎn)，但受限它們的形狀且推進(jìn)器裝載數(shù)量不足，使這些AUV到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)更難懸停，或者讓攝影機(jī)和其他感測(cè)器朝向有意觀測(cè)的物體。
SAM為「小型經(jīng)濟(jì)型海洋機(jī)器人（Small and Affordable Maritime robot）」的簡稱，在瑞典皇家理工學(xué)院的瑞典海洋機(jī)器人中心（Swedish Maritime Robotics Centre；SMaRC）開發(fā)，它考量到距離和操縱性之間的權(quán)衡。SAM長1.4公尺，重量大約15公斤，只要一位操作人員就可以輕鬆駕馭，而且價(jià)格相對(duì)低廉，因此為包含數(shù)臺(tái)AUV的多載具操作帶來可能性。
為了讓SAM維持體積小、重量輕，我們?yōu)樗b配較小的電池組及有限數(shù)量的感測(cè)器。SAM的單一推進(jìn)器裡面裝配了兩組反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳以及額外的微調(diào)子系統(tǒng)（trim subsystems），透過裝配來改變其浮力和重心位置，因此SAM雖然敏捷，致動(dòng)力卻不足。它需要我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的先進(jìn)控制系統(tǒng)來執(zhí)行精確的操縱，以及有效利用載具上的感測(cè)器，而這些控制系統(tǒng)的開發(fā)也伴隨著模擬速度和逼真度之間的工程權(quán)衡。
計(jì)算流體動(dòng)態(tài)雖然有助於高度精確的流體流動(dòng)模擬，僅僅是執(zhí)行我們其中一個(gè)控制器演算法的測(cè)試，卻需要花費(fèi)好幾天的計(jì)算才能夠完成。相較起來，在Simulink的載具動(dòng)作模擬可以近乎即時(shí)地執(zhí)行，而且對(duì)於定性行為建模提供充足的精確度，讓我們能夠在真正到AUV上進(jìn)行測(cè)試之前，以模擬快速地驗(yàn)證及優(yōu)化控制概念。
建立AUV模型
AUV的建模是一項(xiàng)複雜的任務(wù)，因?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)會(huì)隨著流動(dòng)條件而改變。舉例來說，當(dāng)水流猛烈時(shí)，位於高角度的衝擊力道和低角度衝擊力道大不相同。為了考量這類複雜性，我們個(gè)別建立AUV元件的流體動(dòng)力模型，並且採取經(jīng)常使用在空氣動(dòng)力學(xué)建模的技巧—元件組合法（component build-up method）將這些模型組合在一起。
對(duì)於外部元件（或濕元件），像是AUV的外殼和噴嘴，我們使用現(xiàn)有的最佳資料來建立流體動(dòng)力特性模型。我們以查找表的形式將這些資料包含於Simulink模型之中，其中有許多種資料來源。舉例來說，對(duì)於低角度的衝擊，使用從CFD模擬的資料。對(duì)於高角度，則使用以USAF穩(wěn)定性和控制DATCOM公式為基礎(chǔ)的MATLAB腳本。最後，對(duì)於AUV的旋翼，則使用來自XFOIL的資料，那是一個(gè)計(jì)算了螺旋槳的空氣動(dòng)力學(xué)的軟體封包，我們依水的密度和黏性來將其進(jìn)行調(diào)整。
我們的Simulink模型也包含內(nèi)部元件，像是可變浮力系統(tǒng)（variable buoyancy system；VBS）、用於橫向重心（transverse center of gravity；TCG）修整的旋轉(zhuǎn)配重、以及可以前後移動(dòng)用於縱向重心（longitudinal center of gravity；LCG）修整的質(zhì)量。在Simscape裡面建立這些子系統(tǒng)的質(zhì)量和致動(dòng)器模型，Simscape可以更輕鬆地將各種元件組裝到更大的受控體模型架構(gòu)（圖2）。
| 圖2 : 模擬架構(gòu)，包含Simulink受控體內(nèi)的元件和致動(dòng)器的子模型。 |
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控制器建模與模擬
當(dāng)我們有了準(zhǔn)確反映AUV動(dòng)態(tài)和行為的受控體模型，就可以開始在Simulink使用Control System Toolbox來進(jìn)行控制器的建模和模擬。
早期的控制系統(tǒng)包含一組比例積分微分（proportional-integral-derivate；PID）控制器，從加速規(guī)、羅盤、深度計(jì)和其他載具上的感測(cè)器取得輸入資料，每一個(gè)控制器都關(guān)連到單一自由度。最近，我們開始評(píng)估模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control；MPC）方法，包含線性、線性時(shí)變和非線性MPC，以及線性二次調(diào)節(jié)器（linear-quadratic regulator；LQR）的設(shè)計(jì)。
我們連結(jié)控制器模型與受控體模型對(duì)特定的液壓操縱進(jìn)行封閉迴圈模擬，這些動(dòng)作的複雜程度各不相同，從簡單地保持特定位置到執(zhí)行水平和垂直平面的緊密循環(huán)操縱（圖3）。這些控制器使用範(fàn)圍，使用的控制器範(fàn)圍從簡單的腳本序列到以優(yōu)化為基礎(chǔ)的技術(shù)，例如LQR和MPC等。
| 圖3 : 在模擬之中執(zhí)行的緊湊的循環(huán)操縱 |
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模擬一向是開發(fā)和實(shí)現(xiàn)有效控制策略的工具。例如，在一種情況下，我們希望AUV執(zhí)行一個(gè)倒立擺動(dòng)的操縱，其中牽涉到載具向後俯衝、保持垂直方向，然後向上移動(dòng)直到其前端露出水面。如果我們僅限於使用AUV本身來進(jìn)行試驗(yàn)，要為此操縱找到有效的控制策略將極其困難。然而透過模擬，我們就可以快速嘗試各種MPC設(shè)計(jì)和PID控制器組合，並且在MATLAB產(chǎn)生模擬結(jié)果的詳細(xì)圖表（圖4）來查看了解哪一種方法表現(xiàn)最佳。
| 圖4 : 緊湊的循環(huán)操縱過程中的角度和速度圖 |
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程式碼生成與驗(yàn)證
在透過模擬找出一個(gè)看來有效的控制策略以後，我們按照兩條途徑之一準(zhǔn)備在AUV上進(jìn)行測(cè)試。在某些情況下，我們只需根據(jù)Simulink控制器模型撰寫控制程式碼。或者我們使用Simulink Coder直接從模型產(chǎn)生C程式碼，並且使用ROS Toolbox將程式碼作為獨(dú)立的機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)（Robot Operating System；ROS）節(jié)點(diǎn)部署到AUV上。
當(dāng)我們?cè)贏UV上測(cè)試控制器時(shí)（通常會(huì)是在貯水池或海上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的期間），我們會(huì)將載具的性能表現(xiàn)和行為與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。我們一致發(fā)現(xiàn)，從定性角度來看，AUV在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的行為在質(zhì)量上與模擬行為相似（圖5）。
| 圖5 : AUV現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)序圖（左）與對(duì)應(yīng)的模擬圖（右）。 |
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當(dāng)前和未來研究
在執(zhí)行水下機(jī)動(dòng)運(yùn)行操縱時(shí)，AUV處於一個(gè)需要精確控制的操作模式。而AUV的第二種操作模式（適用於在開放水域長距離行駛）優(yōu)先考慮路徑跟隨和能耗最小化，而不是精確定位。考慮到這兩種操作模式，我們目前正在研究更先進(jìn)的策略，以便在不同的控制器之間進(jìn)行適應(yīng)性切換。
我們的團(tuán)隊(duì)還使用建模和模擬來評(píng)估AUV本身的潛在增強(qiáng)功能。舉例來說，我們的一位同事在AUV受控體模型的前端加了一個(gè)夾具。雖然我們還沒有夾具的實(shí)際硬體，但她使用模擬來協(xié)助設(shè)計(jì)LQR控制器，該控制器可以對(duì)使用夾具時(shí)的脈衝負(fù)載和可能遇到的其他干擾做出良好回應(yīng)。我們還在探索使用安裝在 AUV 側(cè)面的類似夾具，讓載具能夠鎖定一個(gè)或更多個(gè)相同的 AUV，並且開始作為一個(gè)多主體系統(tǒng)運(yùn)作。
（本文由鈦思科技提供；作者Ivan Stenius為瑞典皇家理工學(xué)院工程力學(xué)系副教授暨瑞典海事機(jī)器人中心（SMaRC）首席研究員，Sriharsha Bhat為瑞典皇家理工學(xué)院博士生）
