1、概述

水下機器人ARMs 1.0是一款集教學與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機器人，其滿足日常學生船舶原理和自控原理相關教學實驗的同時，兼顧流體力學分析、船舶操縱性研究、導航制導控制設計等學科專業(yè)研究。本平臺提供一套便攜式水下機器人硬件組件，基本的艇載嵌入式運動控制程序和岸基監(jiān)控軟件，便于開展學習船舶原理、控制系統(tǒng)設計和集成、嵌入式程序編寫和調(diào)試、自控算法設計和驗證、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)具備遠程遙控操縱、自主操縱性試驗、自主循跡航行等能力。

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

   圖1 ARMs 1.0系統(tǒng)組成

2、3D打印小型水下機器人ARMs系統(tǒng)特點

?模塊化外形結構設計，以片段或艙段的方式更換附體、延長電子艙、拓展負載、更換動力形式；

?集總式控制系統(tǒng)集成，將艇載電子設備集總到艇載樹莓派計算機上，滿足算力和IO能力的同時減少系統(tǒng)復雜度；

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

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

3、3D打印小型水下機器人ARMs技術參數(shù)

    表1 ARMs 1.0技術參數(shù)

4、實驗內(nèi)容

?水下機器人認知實驗（船舶原理、機器人原理、坐標系、數(shù)學建模、自主控制系統(tǒng)）；

?水下機器人接口驗證實驗（狀態(tài)采集、無線通信、數(shù)據(jù)可視化）；

?遙控操縱實驗（水下機器人運動原理、系統(tǒng)運行和搖操步驟）；

?操縱性實驗（操縱性試驗流程、自主操縱程序、數(shù)據(jù)分析）；

?自主控制實驗（定向航行、定深航行、路徑跟蹤）。

5、實驗示例

5.1操縱性實驗

實驗目標

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

（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，評估水下機器人操縱性能；

試驗方法

操縱性試驗用于檢驗機器人操縱性能的優(yōu)劣，為機器人搖操人員提供操縱性資料，為設計和科研提供數(shù)據(jù)資料。首先了解標準操縱性試驗的流程、關鍵指標和數(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，進行干態(tài)調(diào)試和水中航行試驗。最后下載航行日志，分析航行數(shù)據(jù)，提取關鍵操縱指標，如Z性操縱的超越角，回轉操縱的回轉半徑和周期。

    圖2 湖試場景

    圖3 Z形操縱試驗

    圖4 空間螺旋試驗

5.2定向航行實驗

實驗目標

（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）進行艏向跟蹤調(diào)試和PID參數(shù)整定航行實驗；

實驗方法

針對水下機器人的艏向跟蹤目標，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算舵角指令，方向舵為執(zhí)行機構提供轉艏力矩，整個閉環(huán)系統(tǒng)使水下機器人跟蹤給定艏向航行。

    圖5 艏向自動控制框圖

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)當前誤差，誤差積分和誤差微分加權計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

實驗目標

（1）了解反饋控制思想和非線性控制理論；

（2）學習自抗擾控制架構和方法；

（3）設計深度跟蹤自抗擾控制方法并部署；

（4）進行深度跟蹤控制試驗并整定控制參數(shù)；

實驗方法

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

    圖8 深度自動控制框圖

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張狀態(tài)觀測器輸入反饋深度和升降舵舵角估計出深度運動的復合干擾，并將其補償?shù)椒蔷€性誤差反饋計算的控制量中。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算控制量，最后在控制量中補償擴張狀態(tài)觀測器觀測出的復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