25、紧凑型自主水下航行器的动力学建模与控制

紧凑型自主水下航行器的动力学建模与控制

1. 引言

自主水下航行器（AUV）是一种能够在水下独立导航的机器人设备，它借助机载传感器感知周围环境，利用推进系统实现导航，并通过机载计算机进行决策。地球表面大部分被水覆盖，如海洋、河流和湖泊等，其中许多区域至今仍未被充分探索。这些水下环境蕴含着丰富的自然资源，对人类有着直接或间接的影响。AUV 可以帮助我们探索和研究这些环境，确保其安全，并利用其中的自然资源促进人类发展。此外，AUV 在军事、科研机构和海洋产业等领域也具有潜在的应用价值。

印度理工学院古瓦哈蒂分校机电一体化实验室开发了一款水下机器人，它是一个封闭框架、中性浮力的机器人，采用玻璃纤维复合材料制成的三部分模块化结构。该机器人使用三个固定位置的双向推进器进行推进，其中两个用于水平平面运动，另一个用于垂直运动。机器人还配备了双摄像头、传感器、可充电电池、单板计算机树莓派和电源分配装置。为了使该机器人成为自主水下航行器，需要一个强大的导航系统。

AUV 的导航精度取决于其运动学和动力学模型的准确性。在航点导航中，AUV 会沿着预先定义的路径行驶，该路径由一系列静态点组成，路径是连接这些点的直线和关节处的圆弧的组合。视线（LOS）制导系统因其简单易实现而被广泛应用。针对 AUV 的控制问题，已经开发了从简单的 PD 和 PID 控制到先进的非线性控制、自适应控制、模糊控制和神经模糊控制等多种策略。本文将介绍一种简单的 PD（比例 - 微分）控制器。

2. AUV 的运动学和动力学分析

2.1 运动学模型

机器人的运动学模型是描述机器人各部分相对于某个参考系的位置、速度和加速度的数学关系。对于 AUV，将其视为单连杆