海流下自主水下航行器的三维能量最优路径跟随控制

本文提出一种面向受海流影响的自主水下航行器的三维（3D）能量最优路径跟随控制设计。所提方法具有两阶段控制架构，由设定点计算与设定点跟踪组成。第一阶段，通过最小化海流下航行器推进所需能量，优化纵荡速度、垂荡速度与俯仰角设定点，并采用视线（LOS）制导律生成保证路径跟随的偏航角设定点。第二阶段，设计两个模型预测控制器，通过跟踪最优设定点来控制航行器在水平与垂直平面内的运动。该控制器与传统的基于 LOS 的控制进行比较，后者保持相对于海流的零垂荡速度（即相对垂荡速度），并利用 LOS 制导推导俯仰角设定点以到达期望深度。通过仿真，我们表明所提方法在不同海流条件下的割草机式与巡检任务中可节省超过 13% 的能量。仿真结果表明，允许具有非零相对垂荡速度的运动可提升三维路径跟随应用中的能量效率。