水下机器人动力学模型参数辨识方法综述

摘要：以集中讨论水下机器人动力学建模和参数辨识方法、突出近年来取得的成就和未来的方向为主线，通过简要介绍水下机器人水动力性质与机器人几何外形之间的关系，给出基于牛顿欧拉方程的6自由度动力学方程.经简化模型后给出需要辨识的模型参数.将参数辨识方法按经验法、试验法和计算流体动力学法进行分类，介绍各辨识方法的基本原理和目前相关研究现状，指出其优点和不足，展望水下机器人参数辨识方法的未来研究方向.

关键词：水下机器人； 水动力； 动力学模型； 参数辨识

中图分类号：TP242.3;TP391文献标志码：

Parameter identification survey of dynamic model

for underwater vehicles

DENG Zhigang1,2, ZHU Daqi2, FANG Jian’an1

（1. College of Information Science and Technology, Donghua Univ., Shanghai 201620, China;

2. Information Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China）

Abstract： To focus on the dynamic modeling and parameter identification methods and to highlight recent achievements and future direction of underwater vehicles, through a brief introduction to the relationships between hydrodynamic properties and geometry of the vehicles, the 6DOF (Degree Of Freedom) dynamic equations based on NewtonEuler equations are given. Based on the simplification of the dynamic model, the vehicle parameters that need be identified are given. The parameter identification methods are classified into empirical methods, experimental methods and CFD (Computational Fluid Dynamics) methods. The basic theories of each kind of identification methods and the corresponding current research status are introduced, their advantages and disadvantages are pointed out, and the future research direction of parameter identification methods for underwater vehicles is presented.

Key words： underwater vehicle; hydrodynamics; dynamic model; parameter identification

收稿日期： 20130325修回日期： 20131106

基金项目： 国家自然科学基金（51279098）；上海市优秀学科带头人计划（11XD1402500）；上海海事大学校基金(20120106)

作者简介： 邓志刚（1971—），男，江西新干人，工程师，博士研究生，研究方向为水下机器人建模及控制算法，(Email)dzg1026@126.com；

朱大奇(1964—)，男，安徽安庆人，教授，博导，博士，研究方向为水下机器人运动控制与故障诊断,(Email)zdq367@aliyun.com0引言

进入21世纪以来，由于人类社会的快速发展，陆地资源面临着过度开采甚至是枯竭的困境.随着人口的剧增，各种资源的短缺将更加严重.掌握海洋勘探技术、获取海洋资源是各个国家海洋研究的主要任务和目标.作为人类研究和开发海洋的得力助手，水下机器人能够到达一般潜水技术不可能到达的深度，并能完成多种作业任务，在海洋开发中发挥着极其重要的作用.

系统辨识(又称为模型辨识)是根据水下机器人物理特性、几何参数和水动力影响，建立其动力学模型，在此基础上使用各种方法对其进行辨识.它是水下机器人运动状态控制、路径跟踪、状态监测、故障诊断及容错系统开发的基础，是水下机器人研究的核心内容之一.所以，系统辨识方法的研究对水下机器人的广泛应用有着重要的意义.

根据所使用模型形式的不同，系统辨识方法可分为两类：非参数模型辨识方法和参数模型辨识方法.前者是在不需要事先确定模型具体结构的情况下，通过对其施加特定的实验信号测定其相应的输出响应，以求得被辨识系统的非参数模型；后者也称为现代辨识方法，在对系统进行辨识之前，必须事先假定一种数学模型结构，即对被辨识系统进行建模，使用具体的参数估计方法，通过极小化被辨识系统与数学模型之间的误差准则函数对模型参数进行估计.在水下机器人动力学模型建模中常采用参数化模型，所以本文仅探讨水下机器人的动力学参数模型辨识技术.

本文将水下机器人模型辨识技术按经验法、试验法和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)法进行分类.在分析辨识方法基本原理的基础上，指出其优点和限制，最后展望水下机器人模型辨识方法的未来研究方向.

1水下机器人动力学参数模型

1.1水动力性质与几何外形之间的关系

水下机器人在水中运动，其运动分析方法主要有理论研究、模型试验和实测研究.本文主要讨论以牛顿欧拉方程为力学基础的模型试验，其中又分为经验法、试验法和CFD法.

水下机器人根据使用目的和技术要求的不同，其外形尺寸及结构有很大差异，但主要有开架式和流线形两类，其中流线形又可分为扁平形和纤细形，见图1.这里分别讨论开架式、扁平形和纤细形水下机器人的水动力特性.

(a)开架式(b)扁平形(c)纤细形图1水下机器人主要外形结构

开架式水下机器人主要应用在遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)情况下，一般速度比较小，由水面提供动力，阻力比较大；扁平形水下机器人主要应用在自治控制情况下，自带动力，比开架式机器人速度大一些，阻力稍小；纤细形水下机器人主要应用在自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)情况下，一般速度比较大，自带动力，阻力很小.

水下机器人的流体动力是它在无限水域中运动时作用在其上的水动力.一般来说，水动力特性及大小与水下机器人的下列因素有关:(1)几何外形（尺寸和形状）；(2)运动状态，主要指速度、角速度、加速度和角加速度；(3)流场的性质，包括流场的物理特性和几何特性；(4)操纵因素.若把推进器及其附体产生的推力和力矩单独考虑，并忽略它们与流体之间的相互影响，且水下机器人在无限大流场中工作，在其结构已经确定的情况下，则流体动力F(X,Y,Z)和力矩G(K,M,N)是水下机器人运动参数的函数.