自主水下航行器建模与控制的综合研究

自主水下航行器（AUV）已成为涉及海洋学、检测和监测任务的远程作业事实上的标准载具。这些航行器在不同且通常充满挑战的环境中运行；因此，涉及流体力学和控制系统的 AUV 设计与开发需要进行详细设计。本章节介绍了在不确定性存在的情况下研究航行器建模与鲁棒控制的研究。考虑洋流的影响，采用六自由度方法对航行器的动态行为进行建模。推导了不同速度下的水平飞行要求，并将所得模型分解为水平和垂直子系统以进行线性分析。所给出的仿真结果重点关注线性控制器在深度、偏航和速度三个关键子系统中的有效性。此外，展示了 4 节速度下的水平飞行结果。本研究采用的非线性控制策略包括传统方法和滑模控制（SMC）方法。为确保准确的跟踪性能，控制器设计考虑了具有各种不确定性的航行器动力学，如洋流、参数不确定性、CG（Center of Gravity，重心）偏差和浮力变化。通过割草机式机动场景展示了传统控制器和非线性 SMC 控制器的结果。对 SMC 与传统控制器在抵抗扰动和参数波动方面的鲁棒性进行了系统比较。重要的是，这些结果突显了伴随 SMC 鲁棒性的权衡，因为它在控制器设计复杂度、复杂的实现细节以及抖振现象的管理方面需要更高的水平。