[Papel] Abaixo, seguindo o controlador de visualização do veículo subaquático autônomo

Resumo

Este artigo descreve uma solução para o problema de seguimento do fundo de um veículo subaquático com base na avaliação do ecobatímetro das características do terreno na frente do veículo subaquático. O método usado trata o problema como um problema de controle de rastreamento de caminho em tempo discreto, no qual o modelo de espaço de estado de erro facilmente definido da fábrica é aumentado com dados de visualização batimétricos (ou seja, profundidade). O modelo de correlação de parâmetro afim segmentado é usado para descrever a dinâmica do erro de linearização do robô subaquático em um conjunto de áreas de trabalho predeterminadas. Para cada região, o feedback de estado e o problema de controle do sistema dependente de parâmetros afins é proposto e resolvido por desigualdades matriciais lineares (LMIs). O controlador não linear resultante é implementado como um controlador de agendamento de ganho usando o método D. Os resultados da simulação do robô subaquático no plano vertical com base no modelo dinâmico não linear são dados e discutidos.

Termos de indexação - sistema de tempo discreto, sistema de mudança de parâmetro linear, controle de visualização, rastreamento, resposta transiente, veículo subaquático

Introdução

Este artigo descreve uma solução para o problema de projeto do controlador de seguimento de fundo de um veículo subaquático autônomo, que considera explicitamente as características da profundidade da água na frente do veículo medida por duas ecobatímetros. O método utilizado pertence à categoria da teoria do pré-controle. A solução proposta foi avaliada através da simulação de um protótipo do modelo do robô subaquático Invent (ver Figura 1), que foi construído e operado pelo Instituto Politécnico de Lisboa, Portugal.

Algoritmos de controle de visualização têm sido amplamente usados ​​para melhorar o desempenho do circuito fechado. Quando as informações futuras sobre o ambiente refletidas em informações sobre comandos e interferências futuras estiverem disponíveis, um compensador de feedback com largura de banda limitada pode ser usado para obter o desempenho do circuito fechado. Uma série de artigos sobre a aplicação da teoria do controle de visualização quadrática linear no projeto de suspensão ativa de veículos pode ser encontrada na literatura.

Ênfase especial deve ser colocada no trabalho pioneiro de Tomizuka, no qual o problema de controle de visualização ideal foi formulado e resolvido, e o impacto de diferentes comprimentos de visualização no desempenho de todo o sistema de suspensão foi discutido. Prokop e Sharp [2] propuseram um método alternativo que inclui a incorporação de perturbações ou dinâmica de referência no modelo de projeto, e então resolver o problema de controle quadrático linear resultante. Recentemente, Takaba [3] usou desigualdades matriciais lineares para resolver o previsível problema de projeto de servomecanismo robusto para sistemas incertos poliédricos.

Para o projeto de um sistema de controle linear, este artigo usa um feedback de estado de tempo discreto prevendo o algoritmo de síntese do controlador. Entre os métodos estudados neste artigo, os resultados apresentados nos documentos [3] - [6] são usados ​​para desenvolver um algoritmo de síntese de controlador preditivo baseado em desigualdade de matriz linear (LMI) para sistemas dependentes de parâmetros afins. Para grandes intervalos de visualização, a técnica proposta neste artigo leva a problemas de otimização LMI envolvendo um grande número de variáveis. A fim de superar essa limitação, um algoritmo alternativo é proposto que usa a estrutura específica do sistema de visualização aprimorada para calcular a matriz de ganho feedforward necessária.

Neste artigo, para um número limitado de modelos de objetos de tempo discreto dependentes de parâmetros afins por partes, um controlador preditivo de feedback de estado linear é sintetizado. Cada um desses modelos é composto por equivalentes discretos da linearização do erro generalizado da área de trabalho de cada robô subaquático determinada por caixas bem definidas no espaço de parâmetros (definido pela velocidade total e ângulo de ataque da aeronave). O espaço de erro adotado é consistente com as soluções dadas em [7] - [9], e inclui um importante coeficiente de diretividade que leva em consideração a direção atual do veículo na definição do erro de velocidade da linha. O autor aplica uma técnica semelhante ao problema de rastreamento de terreno de giroplano, veja [10] para detalhes.

A realização final do controlador de programação de ganho não linear usa o método D descrito neste artigo, que garante as características básicas de linearização e elimina a necessidade de alimentar variáveis ​​de estado e valores de entrada durante o ajuste fino. Uma questão chave no projeto do sistema de controle de seguimento de fundo baseado em sensor é o cálculo dos dados de altura do fundo medidos por sonar. Neste artigo, a tecnologia empregada utiliza a geometria do sensor para estabelecer efetivamente o contorno do fundo do mar à frente do veículo.

A organização é a seguinte. A terceira seção apresenta o modelo não linear da dinâmica do plano vertical do veículo subaquático Invent. A terceira seção discute o problema a seguir, e apresenta brevemente o espaço de erro relacionado ao caminho usado para descrever a dinâmica do veículo. A quarta seção indica os problemas de controle de visualização. A seção 5 descreve o método usado para projeto de controlador linear, onde a tecnologia de síntese LMI é aplicada a sistemas dependentes de parâmetros afins. A seção VI apresenta a técnica de reconstrução usada para construir o caminho de referência com base nos resultados de medição do perfilador de sonar. A seção 7 enfoca a realização do fundo não linear seguindo o controlador do robô subaquático. Por fim, na oitava seção, são apresentados os resultados da simulação obtidos com o modelo dinâmico não linear de plano vertical.

Dinâmica do veículo

Aqui, descrevemos o modelo dinâmico do robô subaquático no plano vertical. Veja [12] e [13] para detalhes. O veículo tem 4,5 m de comprimento, 1,1 m de largura e 0,6 m de altura. É equipado com dois propulsores principais (hélices e bicos) para superfícies de cruzeiro e totalmente móveis (leme, plano de proa e plano de popa) para pilotagem e mergulho nos planos horizontal e vertical, respectivamente. Os símbolos utilizados e a estrutura do modelo do veículo são padrão [12], [14].

As variáveis ​​u e w representam sobretensão e velocidade de elevação, e $\theta$、$q$、$x$ e$z$ representa pitch, taxa de pitch, posição inercial e profundidade, respectivamente. Símbolo$d_b$E $d_s$Respectivamente, represente a deflexão do plano de proa e popa. Usando este símbolo e ignorando o modo de rotação estável, a dinâmica do robô subaquático no plano vertical pode ser escrita de uma forma concisa.


(1), (3) e (5) descrevem os movimentos de oscilação, elevação e inclinação, respectivamente , $X_{(.)},{COM}_{(.)}E{M}_{(.)}$É o termo derivado hidrodinâmico, ${com}_{CB}$Indica a distância de estabilidade. As equações (2), (4) e (6) capturam a cinemática do veículo. Os valores dos parâmetros hidrodinâmicos são apresentados em [12] e [13]. Variáveis ​​m, L, W, B e ${Eu}_e$Eles são a massa, comprimento, peso, flutuabilidade e momento de inércia em torno do eixo do veículo, $\rho$ é a densidade da água.

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