8、水下声学传感器网络中的水下无人机技术解析

水下声学传感器网络中的水下无人机技术解析

1. 水下无人机控制系统

水下无人机（AUV）的控制系统对于其精确运行至关重要，主要包括控制分配子系统。

控制分配子系统的任务是根据控制策略，为所有执行器分配合适的功率信号。由于不同执行器可对特定自由度施加功率，该子系统需确保每个可用执行器对车辆施加的功率得到最有效利用。功率利用对于每个独立运行的车辆都极为重要，因为它是决定任务时长的关键因素。控制分配的职责是在所有执行器之间找到平衡，既能为车辆施加所需的力，又能最大限度地减少功率消耗。车辆所受的总力 (F) 由 (n) 个执行器施加，可表示为：
[F = CKv]
其中，(C) 是执行器配置矩阵，大小为 (6 × n)；(K) 是 (n × n) 的方阵，表示力的系数；(v) 是 (n × 1) 的控制输入。

常见的控制分配方案有以下几种：
|方案名称|优点|缺点|适用情况|
| — | — | — | — |
|非最优方案|简单高效，只需一次矩阵乘法，公式为 (\nu = (CK)^{-1}F)|不能最小化功率消耗|对功率消耗要求不高的场景|
|二次规划方案|通过优化方案解决非最优方案的约束问题，引入权重矩阵，可使执行器优先使用控制面而非隧道推进器，从而最小化功率消耗。有线性和非线性两种类型，分别有显式（在线）和迭代（离线）两种解决方案|计算需求大|对功率消耗有严格要求，且有一定计算资源的场景|
|两阶段方案|将控制分配问题分解为两个子问题，先解决主旋翼和表面区域的控制分配，再解决隧道旋翼的控制分配。能最大程度利用低功耗的控制面，仅在必要时使用高功耗的隧道推进器|/|对计算资源要求不高，且希望优先使用控制面的场景|