同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對(duì)大型載人航行器來(lái)說(shuō)太危險(xiǎn)或根本無(wú)法嘗試的許多應(yīng)用領(lǐng)域。例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化，這些應(yīng)用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達(dá)目標(biāo)位置。航行器一旦到達(dá)目標(biāo)位置，可能就需要執(zhí)行敏捷操縱（即水下機(jī)動(dòng)航行），以采集圖像、視頻和其他重要數(shù)據(jù)。

受諸多因素的影響，開(kāi)發(fā)這些 AUV 的控制算法錯(cuò)綜復(fù)雜。其中，最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是無(wú)線電信號(hào)在水中會(huì)發(fā)生衰減，這使得 AUV 在深海遠(yuǎn)程作業(yè)時(shí)無(wú)法可靠地接收 GPS 或通迅信號(hào)。由于缺乏這種通信，AUV的自主作業(yè)能力就顯得愈加重要。

瑞典皇家理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)研究了控制策略，通過(guò)最大限度地降低能耗，使AUV 完成時(shí)間更長(zhǎng)、更復(fù)雜的任務(wù)成為了可能。借助 MATLAB 和 Simulink，使用基于模型的設(shè)計(jì)，對(duì)開(kāi)發(fā)的控制算法進(jìn)行了仿真、優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)。這種方法可以先通過(guò)仿真快速開(kāi)發(fā)和評(píng)估算法，然后在機(jī)動(dòng)航行的 AUV SAM（圖 1）上，對(duì)這些算法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，從而加快研究步伐。

圖 1. SAMAUV（上圖）和三維表示（下圖）。SAM是由瑞典皇家理工學(xué)院的海洋機(jī)器人中心設(shè)計(jì)的。

AUV 設(shè)計(jì)中的工程權(quán)衡

采用就地懸停設(shè)計(jì)的 AUV，通常搭載多個(gè)推進(jìn)器，這使得 AUV 體積龐大，因而無(wú)法輕松完成遠(yuǎn)距離航行。另一方面，雖然細(xì)長(zhǎng)型 AUV 的航程更遠(yuǎn)，但受限于形狀，再加之缺乏多個(gè)推進(jìn)器，這些 AUV 在到達(dá)目標(biāo)位置后，更難懸停或使攝像頭和其他傳感器朝向感興趣的目標(biāo)。

SAM 是小型經(jīng)濟(jì)型海洋機(jī)器人的縮寫，它是由瑞典皇家理工學(xué)院的海洋機(jī)器人中心(SMaRC) 基于對(duì)航程與操縱性之間的這種權(quán)衡考量而開(kāi)發(fā)的。SAM長(zhǎng) 1.4 米，重約 15 公斤，只需一名操作人員即可輕松駕馭。其造價(jià)相對(duì)較低，這使得用若干個(gè)AUV 進(jìn)行多航行器作業(yè)成為了可能。為了保持 SAM 小巧輕便，瑞典皇家理工學(xué)院為它配備了相對(duì)較小的電池組和數(shù)量有限的傳感器。

SAM 的單個(gè)推進(jìn)器內(nèi)配有兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。它還帶有額外的配平子系統(tǒng)，用于改變其浮力和重心位置。因此，盡管SAM 具有敏捷性，但仍動(dòng)力不足。為此，它需要使用該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行精準(zhǔn)的操縱，并充分利用體載傳感器。另外，在開(kāi)發(fā)這些控制系統(tǒng)的同時(shí)，還需要在其仿真速度與保真度之間進(jìn)行工程權(quán)衡。雖然計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)有助于實(shí)現(xiàn)高度精確的流體流動(dòng)仿真，但是，完成僅運(yùn)行一個(gè)控制算法測(cè)試所需的計(jì)算就需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)天的時(shí)間。相比之下，在 Simulink 中創(chuàng)建的航行器運(yùn)動(dòng)仿真近乎實(shí)時(shí)運(yùn)行，并且可以十分準(zhǔn)確地用于對(duì)定性行為建模，從而能夠在 AUV 上測(cè)試控制方法之前，先在仿真中快速驗(yàn)證和優(yōu)化這些方法。

AUV 建模

AUV 建模是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)特性隨流動(dòng)條件而變化。例如，受紊流的影響，在大迎角下產(chǎn)生的力與小迎角下產(chǎn)生的力大相徑庭。為了解釋這種復(fù)雜性，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了各個(gè)AUV 組件的流體動(dòng)力學(xué)模型，然后使用空氣動(dòng)力學(xué)建模中常用的方法（即組件組合法），將這些模型組合在了一起。

對(duì)于外部組件（或濕組件），如 AUV 的殼體和噴嘴，團(tuán)隊(duì)使用了現(xiàn)有的最佳數(shù)據(jù)，對(duì)流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了建模。這些數(shù)據(jù)以查找表的形式包含在了 Simulink模型中。它們來(lái)自于各種數(shù)據(jù)源。例如，對(duì)于小迎角，團(tuán)隊(duì)使用了 CFD 仿真中的數(shù)據(jù)。而對(duì)于大迎角，則使用了基于 USAF 穩(wěn)定性與操縱性DATCOM 公式的MATLAB 腳本。最后，對(duì)于 AUV 的旋翼，使用了 XFOIL 軟件包中的數(shù)據(jù)，該軟件包用于執(zhí)行翼型空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。會(huì)根據(jù)水的密度和粘度對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

Simulink 模型還包括內(nèi)部組件，如可變浮力系統(tǒng)(VBS)、用于橫向重心(TCG) 配平的旋轉(zhuǎn)配重，以及可以前后移動(dòng)用于縱向重心(LCG) 配平的質(zhì)點(diǎn)。在 Simscape 中則對(duì)這些子系統(tǒng)的質(zhì)點(diǎn)和作動(dòng)器進(jìn)行了建模，以便于輕松地將各種組件組合到更大的被控對(duì)象模型框架中（圖2）。

圖 2. 仿真框架，包括Simulink 被控對(duì)象模型中組件和作動(dòng)器的子模型。

控制器的建模與仿真

一旦有了準(zhǔn)確反映 AUV 的動(dòng)態(tài)特性和行為的被控對(duì)象模型，就可以開(kāi)始在 Simulink 中使用 Control System Toolbox 進(jìn)行控制器建模和仿真。

早期的控制系統(tǒng)包含一組比例積分微分(PID) 控制器。通過(guò)從加速度計(jì)、羅盤、深度計(jì)和其他體載傳感器獲取輸入，每個(gè)控制器都與單個(gè)自由度相關(guān)聯(lián)。最近，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始評(píng)估模型預(yù)測(cè)控制(MPC) 方法，包括線性、線性時(shí)變和非線性 MPC 方法，以及線性二次調(diào)節(jié)器(LQR) 設(shè)計(jì)。

通過(guò)將控制器模型與被控對(duì)象模型連接起來(lái)，針對(duì)特定的水下機(jī)動(dòng)航行運(yùn)行了閉環(huán)仿真。這些航行活動(dòng)的復(fù)雜程度各異，簡(jiǎn)單到保持特定位置，復(fù)雜到沿水平面和垂直面執(zhí)行緊湊的循環(huán)操縱（圖3）。控制器使用了各種方法，從簡(jiǎn)單的腳本化序列到基于優(yōu)化的方法，如 LQR 和 MPC。

圖 3. 在仿真中執(zhí)行的緊湊循環(huán)操縱。

仿真一直是開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)有效控制策略的利器。例如，在一種情況下，該團(tuán)隊(duì)希望 AUV 執(zhí)行倒立擺操縱，其中涉及到航行器向后俯沖，保持垂直方向，然后向上移動(dòng)，直到其前端露出水面。如果僅限于使用 AUV 本身進(jìn)行試驗(yàn)，則為這種操縱找到一種有效的控制策略將極其困難。所幸的是，通過(guò)仿真，能夠快速嘗試各種 MPC 設(shè)計(jì)和 PID 控制器組合，并在 MATLAB 中生成詳細(xì)的仿真結(jié)果圖（圖4），以了解哪種方法最為有效。

圖 4. 緊湊的循環(huán)操縱過(guò)程中的角度圖和速度圖。

代碼的生成和驗(yàn)證

通過(guò)仿真確定了可能有效的控制策略后，該團(tuán)隊(duì)沿兩條路徑之一準(zhǔn)備在 AUV 上進(jìn)行測(cè)試。在某些情況下，只需根據(jù) Simulink 控制器模型編寫控制代碼。或者，使用 Simulink Coder 直接從模型生成C 代碼，并使用 ROS Toolbox 將其作為獨(dú)立的機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS) 節(jié)點(diǎn)部署在 AUV 上。

當(dāng)在 AUV 上測(cè)試控制器時(shí)，通常是在貯水池或海中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間，團(tuán)隊(duì)將航行器的性能和行為與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。大家一致認(rèn)為，從定性的角度而言，AUV 在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的行為與仿真行為很相似（圖5）。

圖 5. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的AUV 的時(shí)間序列圖像（左）和仿真中的對(duì)應(yīng)圖像（右）。

當(dāng)前和將來(lái)的研究

在執(zhí)行水下機(jī)動(dòng)航行時(shí)，AUV 處于需要精準(zhǔn)控制的作業(yè)模式。AUV 的第二種作業(yè)模式適用于在開(kāi)放水域中遠(yuǎn)距離航行。該模式優(yōu)先考慮的是路徑跟隨和最小能耗，而不是精準(zhǔn)定向。基于這兩種作業(yè)模式，該團(tuán)隊(duì)當(dāng)前正在研究更高級(jí)的策略，以便在不同控制器之間進(jìn)行自適應(yīng)切換。

該團(tuán)隊(duì)小組還將利用建模和仿真來(lái)評(píng)估可能對(duì) AUV 本身所作的改進(jìn)。例如，有位同事在 AUV 被控對(duì)象模型的前端增設(shè)了一個(gè)抓手。盡管還沒(méi)有抓手的物理硬件，但該同事借助仿真設(shè)計(jì)了一個(gè) LQR 控制器，該控制器可對(duì)使用抓手時(shí)可能遇到的沖激載荷和其他擾動(dòng)作出正確的響應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)也將探索類似抓手的應(yīng)用。該抓手裝在 AUV 的側(cè)面，使航行器能夠鎖定到一個(gè)或多個(gè)相同的 AUV，并開(kāi)始作為一個(gè)多智能體系統(tǒng)運(yùn)行。