12、水下机器人航向与俯仰控制方法解析

水下机器人航向与俯仰控制方法解析

1. 引言

在水下机器人的运行中，精确的航向和俯仰控制至关重要。本文将详细介绍水下机器人的航向和俯仰控制方法，包括系统框架、关键技术以及仿真结果分析。

2. 航向控制

2.1 问题陈述与系统框架

航向控制系统的目标是通过调整左右鳍的偏转角 $\delta_l$ 和 $\delta_r$，使偏航角 $\psi$ 跟踪参考偏航角 $\psi_d$。航向动力学可形式化为：
[
\ddot{\psi} = \frac{HB(\dot{\psi}, \psi^T) + (\beta T^2)}{m \cos \alpha}
]
其中相关矩阵和参数定义如下：
[
H =
\begin{bmatrix}
0 & \sin \theta & \cos \theta \
\cos \phi & \cos \phi & 0 \
0 & 0 & 1
\end{bmatrix},
B =
\begin{bmatrix}
0 & I_{3\times3} & M^{-1}_{3\times3} \
0 & 0 & 0 \
0 & 0 & 0
\end{bmatrix}
]
基本原理是利用鳍的差动动作在左右两侧产生不对称水动力以实现转向。然而，滑翔状态（如滑翔速度、攻角/侧滑角）难以直接测量，传统传感器存在价格高、尺寸大、精度低等问题。因此，设计了滑模观测器（SMO