MBSE产品模型架构应用：基于模型驱动架构概念的自主水下航行器控制器的MBSE应用（上）

近几十年来，水下航行器已广泛用于许多军事应用。特别是，自主水下航行器（AUV）在开发民用应用以提高经济效益方面具有重要意义，例如海洋勘探，环境监测，测绘以及灾难和海啸警报。

AUV的控制器设计一直是一个挑战，因为控制器与复杂水下环境中的AUV动力学密切相关。AUV控制器可以由离散模型、连续模型及其在混合动态系统（HDS）中的相互作用组成，如混合自动机（HA）建模。传统的控制方法通常用于实现复杂系统，以使其对控制器更有效，它们也被用于构建AUV控制器。下面介绍一些应用于AUV的传统控制技术。

李雅普诺夫稳定性被证明是非常活跃的，然而，所需航路点的稳定性不足以跟踪水平平面轨迹。比例-积分-微分（PID）调节器被证明非常适合在跟踪水平平面轨迹时的AUV中使用。使用这种方法可以成功执行第一次自主航行。尽管如此，PID控制器还是需在没有大干扰的情况下控制AUV。线性二次（LQ）控制器呈现了平均稳定结果。反步方法被证明能够在高环境噪声条件下控制欧拉横滚、俯仰和偏航（RPY）角。滑动模式控制器（SMC）在单独应用时没有给出良好的结果，因为它似乎缺乏对AUV动力学的适应。因此，在一些研究反步，神经网络，计算扭矩方法和数字滤波器（如扩展/无迹卡尔曼滤波器（EKF / UKF））的研究中，通过使用控制技术来提高其AUV性能，SMC得到了改进。

上述评估导致我们选择PID和反步的组合来执行AUV控制器的连续模型演化，称为积分反步（IB）技术。

在开发新的AUV应用的生命周期时，还必须考虑可重用性，以降低成本和资源。对象管理组织（OMG）标准化了统一建模语言（UML），该语言是用于可视化，指定，构造和记录软件密集型系统工件的行业标准。系统建模语言（SysML）由OMG标准化用于系统工程。SysML是UML的扩展，可以提供简单但功能强大的构造，用于对各种系统工程问题进行建模。然而，UML和SysML的缺点是它们缺乏对已开发系统的内部连续行为的演变进行建模的能力。

另一方面，基于模型的系统工程（MBSE）方法由INCOSE形式化，以在复杂系统的开发生命周期中对整个工件进行稳健建模。在对MBSE方法的调查中发现了系统工程方法的例子，包括Magic Grid，Harmony-SE，面向对象的系统工程方法（OOSEM），系统工程的合理统一过程（RUP-SE），状态分析方法和对象过程方法（OPM）。模型驱动架构（MDA）由OMG标准化，用于将系统操作规范与系统如何使用其平台功能的细节分开。MDA 的三个主要目标是通过架构关注点分离实现可移植性、互操作性和可重用性。在这里，可移植性允许在新的或多个平台上实现相同的解决方案，互操作性创建了可以轻松与其他系统集成和通信并使用各种资源应用的系统，而可重用性构建了可以在不同上下文中的许多不同应用中重用的解决方案。Sebastián等人通过在2008年至2018年期间对软件工程中的MDA文献进行系统映射来调查MDA应用。实际上，MDA的原则可以在统一架构框架（UAF）中使用，以加强系统的互操作性。在许多商业应用中，实时SysML / UML已与上述基于模型的系统工程方法相结合。因此，MBSE方法和MDA的功能可以与实时UML和SysML结合使用，以详细描述开发系统的工件。

在上述评估点的基础上，本工作侧重于构建基于MBSE方法的混合控制模型，结合MDA概念、实时UML/SysML和HA，使我们能够集中实现AUV控制器。设计的控制工件可以定制和重复使用，以部署在各种AUV平台上。本研究将用于控制的AUV动态模型与MDA特征的特化相结合，由平台专用模型（PSM）、平台独立模型（PIM）和计算独立模型（CIM）组成。最后，部署了在自由面上运行的微型鱼雷形自主水下航行器的平面轨迹跟踪控制器，并通过仿真实验进行了评估。

本研究的三个主要贡献如下：

(1)MBSE方法与MDA组件一起适用于AUV控制器生命周期开发的可用性。

(2)设计的控制器可定制并可重复使用在多种AUV上。

(3)研制了在自由面上运行的微型AUV平面轨迹跟踪控制器，并通过仿真实验进行了评估。

AUV的六个运动被海军架构师和海洋工程师协会（SNAME）定义为摇摆，浪涌，滚动，升沉，偏航和俯仰（表1）。

表 1.海军架构师和海洋工程师协会（SNAME）水下航行器的标识

在惯性系中，η = [η1T，η2T]T由位置η1 = [x，y，z]T和方向η2 = [ϕ，θ，ψ]T组成。而回到自身框架中，速度ν= [v1T，v2T]T包括线速度v1= [u，v，w]T和角速度 v2 = [p，q，r]T。模型矩阵M、C（ν）和D（ν）分别表示惯性、科里奥利和阻尼，而 g（η）是重力和浮力的矢量。在公式（2）的右侧，τ（v，u）是作用在AUV上的合力和力矩的矢量，u表示控制输入。

状态空间离散性模型可用于模拟AUV的控制演化，该模型用于通过使用EKF或UKF方法估计AUV的状态；控制系统的运动可以描述为公式（3）所示。

图1.自主水下航行器（AUV）的自主架构模块定义图

根据上述AUV动态和控制架构，以及第2节中描述的HDS的定义，AUV控制器可以被视为HDS，其动态行为可以通过HA建模，并通过视线（LOS）导航性实现。

文章来源：创景科技