自主水下航行器 (AUV) | 近实时仿真与控制助力实现水下机动航行-德赢Vwin官网网

同空中航行器一样，自主水下航行器(AUV) 更适用于对大型载人航行器来说太危险或根本无法尝试的许多应用领域。例如，北极探索、水下建桥与管道检查，以及水产养殖自动化，这些应用通常需要 AUV 行驶一段距离才能到达目标位置。航行器一旦到达目标位置，可能就需要执行敏捷操纵（即水下机动航行），以采集图像、视频和其他重要数据。

受诸多因素的影响，开发这些 AUV 的控制算法错综复杂。其中，最严峻的挑战是无线电信号在水中会发生衰减，这使得 AUV 在深海远程作业时无法可靠地接收 GPS 或通迅信号。由于缺乏这种通信，AUV的自主作业能力就显得愈加重要。

瑞典皇家理工学院的团队研究了控制策略，通过最大限度地降低能耗，使AUV 完成时间更长、更复杂的任务成为了可能。借助 MATLAB 和 Simulink，使用基于模型的设计，对开发的控制算法进行了仿真、优化与实现。这种方法可以先通过仿真快速开发和评估算法，然后在机动航行的 AUV SAM（图 1）上，对这些算法进行现场测试，从而加快研究步伐。

图 1. SAMAUV（上图）和三维表示（下图）。SAM是由瑞典皇家理工学院的海洋机器人中心设计的。

AUV 设计中的工程权衡

采用就地悬停设计的 AUV，通常搭载多个推进器，这使得 AUV 体积庞大，因而无法轻松完成远距离航行。另一方面，虽然细长型 AUV 的航程更远，但受限于形状，再加之缺乏多个推进器，这些 AUV 在到达目标位置后，更难悬停或使摄像头和其他传感器朝向感兴趣的目标。

SAM 是小型经济型海洋机器人的缩写，它是由瑞典皇家理工学院的海洋机器人中心(SMaRC) 基于对航程与操纵性之间的这种权衡考量而开发的。SAM长 1.4 米，重约 15 公斤，只需一名操作人员即可轻松驾驭。其造价相对较低，这使得用若干个AUV 进行多航行器作业成为了可能。为了保持 SAM 小巧轻便，瑞典皇家理工学院为它配备了相对较小的电池组和数量有限的传感器。

SAM 的单个推进器内配有两个反向旋转的螺旋桨。它还带有额外的配平子系统，用于改变其浮力和重心位置。因此，尽管SAM 具有敏捷性，但仍动力不足。为此，它需要使用该团队开发的高级控制系统来执行精准的操纵，并充分利用体载传感器。另外，在开发这些控制系统的同时，还需要在其仿真速度与保真度之间进行工程权衡。虽然计算流体动力学有助于实现高度精确的流体流动仿真，但是，完成仅运行一个控制算法测试所需的计算就需要长达数天的时间。相比之下，在 Simulink 中创建的航行器运动仿真近乎实时运行，并且可以十分准确地用于对定性行为建模，从而能够在 AUV 上测试控制方法之前，先在仿真中快速验证和优化这些方法。

AUV 建模

AUV 建模是一项复杂的任务，因为流体动力学特性随流动条件而变化。例如，受紊流的影响，在大迎角下产生的力与小迎角下产生的力大相径庭。为了解释这种复杂性，团队创建了各个AUV 组件的流体动力学模型，然后使用空气动力学建模中常用的方法（即组件组合法），将这些模型组合在了一起。

对于外部组件（或湿组件），如 AUV 的壳体和喷嘴，团队使用了现有的最佳数据，对流体动力学特性进行了建模。这些数据以查找表的形式包含在了 Simulink模型中。它们来自于各种数据源。例如，对于小迎角，团队使用了 CFD 仿真中的数据。而对于大迎角，则使用了基于 USAF 稳定性与操纵性DATCOM 公式的MATLAB 脚本。最后，对于 AUV 的旋翼，使用了 XFOIL 软件包中的数据，该软件包用于执行翼型空气动力学计算。会根据水的密度和粘度对其进行调整。

Simulink 模型还包括内部组件，如可变浮力系统(VBS)、用于横向重心(TCG) 配平的旋转配重，以及可以前后移动用于纵向重心(LCG) 配平的质点。在 Simscape 中则对这些子系统的质点和作动器进行了建模，以便于轻松地将各种组件组合到更大的被控对象模型框架中（图2）。

图 2. 仿真框架，包括Simulink 被控对象模型中组件和作动器的子模型。

控制器的建模与仿真

一旦有了准确反映 AUV 的动态特性和行为的被控对象模型，就可以开始在 Simulink 中使用 Control System Toolbox 进行控制器建模和仿真。

早期的控制系统包含一组比例积分微分(PID) 控制器。通过从加速度计、罗盘、深度计和其他体载传感器获取输入，每个控制器都与单个自由度相关联。最近，该团队已经开始评估模型预测控制(MPC) 方法，包括线性、线性时变和非线性 MPC 方法，以及线性二次调节器(LQR) 设计。

通过将控制器模型与被控对象模型连接起来，针对特定的水下机动航行运行了闭环仿真。这些航行活动的复杂程度各异，简单到保持特定位置，复杂到沿水平面和垂直面执行紧凑的循环操纵（图3）。控制器使用了各种方法，从简单的脚本化序列到基于优化的方法，如 LQR 和 MPC。

图 3. 在仿真中执行的紧凑循环操纵。

仿真一直是开发和实现有效控制策略的利器。例如，在一种情况下，该团队希望 AUV 执行倒立摆操纵，其中涉及到航行器向后俯冲，保持垂直方向，然后向上移动，直到其前端露出水面。如果仅限于使用 AUV 本身进行试验，则为这种操纵找到一种有效的控制策略将极其困难。所幸的是，通过仿真，能够快速尝试各种 MPC 设计和 PID 控制器组合，并在 MATLAB 中生成详细的仿真结果图（图4），以了解哪种方法最为有效。

图 4. 紧凑的循环操纵过程中的角度图和速度图。

代码的生成和验证

通过仿真确定了可能有效的控制策略后，该团队沿两条路径之一准备在 AUV 上进行测试。在某些情况下，只需根据 Simulink 控制器模型编写控制代码。或者，使用 Simulink Coder 直接从模型生成C 代码，并使用 ROS Toolbox 将其作为独立的机器人操作系统(ROS) 节点部署在 AUV 上。

当在 AUV 上测试控制器时，通常是在贮水池或海中进行现场测试期间，团队将航行器的性能和行为与仿真结果进行了比较。大家一致认为，从定性的角度而言，AUV 在现场测试中的行为与仿真行为很相似（图5）。

图 5. 现场测试中的AUV 的时间序列图像（左）和仿真中的对应图像（右）。

当前和将来的研究

在执行水下机动航行时，AUV 处于需要精准控制的作业模式。AUV 的第二种作业模式适用于在开放水域中远距离航行。该模式优先考虑的是路径跟随和最小能耗，而不是精准定向。基于这两种作业模式，该团队当前正在研究更高级的策略，以便在不同控制器之间进行自适应切换。

该团队小组还将利用建模和仿真来评估可能对 AUV 本身所作的改进。例如，有位同事在 AUV 被控对象模型的前端增设了一个抓手。尽管还没有抓手的物理硬件，但该同事借助仿真设计了一个 LQR 控制器，该控制器可对使用抓手时可能遇到的冲激载荷和其他扰动作出正确的响应。该团队也将探索类似抓手的应用。该抓手装在 AUV 的侧面，使航行器能够锁定到一个或多个相同的 AUV，并开始作为一个多智能体系统运行。

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

模型

模型

+关注

关注
1

文章
3226

浏览量
48807
AUV

AUV

+关注

关注
0

文章
11

浏览量
10877
水下航行器

水下航行器

+关注

关注
0

文章
15

浏览量
8644

原文标题：自主水下航行器 (AUV) | 近实时仿真与控制助力实现水下机动航行

文章出处：【微信号：MATLAB，微信公众号：MATLAB】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。

我国首台公里级水下敷缆机器人完成测试

作业能力。它不仅能够搜寻目标位置，还能够挖沟并敷埋电缆，实现了“搜寻-挖沟-敷埋”一体化作业。尤为值得一提的是，该机器人的作业速度高达1000米/小时，大大提高了水下电缆敷设的效率。此次研制的成功，标志着我国在水下机器人

发表于 12-19 13:47 •153次阅读

FCB-EV9520L，水下机器人应对光线变化的利器

在深邃的海洋之中，对于错综复杂的地形结构、起伏跌宕的海浪、行踪飘忽不定的生物、明暗交织、光线变幻莫测甚至几乎无光的复杂水下环境，索尼FCB-EV9520L高清机芯模组，就如同为水下机器人赋予了“智慧之眼”，以高清、稳定的视觉画面，引领我们跨越界限，窥探深海的奥秘。

发表于 12-10 11:09 •75次阅读

高压放大器在水下扑翼软体机器人研究中的应用

翼软体机器人进行相关实验，确保水下扑翼软体机器人的运动性能。首先，搭建了水下扑翼软体机器人的实验装置，进行了一系列运动能力实验。其次，为了验证前文仿真分析的可行性，通过实验数据验证了前文中仿真

发表于 12-04 13:51 •96次阅读

Xsens Sirius-在严苛环境中进行3D惯性导航

在水下应用中，包括ROV、AUV、信标和应答器，XsensIMUs带来精确的导航、定向和控制。对于具有挑战性的水下环境，我们的IMU解决方案

发表于 11-23 01:09 •123次阅读

深入解析防水连接器的水下运行能力：应对特殊场景的关键技术

的腐蚀。二、防水连接器应对的特殊场景水下设备在水下摄像头、潜水艇、水下机器人等设备中，防水连接器是必不可少的组件，它确保了设备在

发表于 11-06 15:54 •155次阅读

高压功率放大器在水下超声无线电能传输系统测试中的应用

实验名称：水下超声无线电能传输系统测试研究方向：随着科技的快速发展，人们发现再对海洋资源的勘探、开发与利用和海洋环境监测中，离不开大量的水下机电和传感设备的支持。为了保障水下机电设备工作时的实

发表于 10-15 14:19 •743次阅读

凯茉锐电子 SONYFCB-EV7100模组在水下机器人中的创新应用

在浩瀚无垠的深蓝世界中，每一次探索都充满了未知与挑战。为了揭开海底的神秘面纱，科学家们和工程师们不断研发出先进的技术装备，其中，深圳市凯茉锐电子科技有限公司SONY FCB-EV7100模组作为水下机

发表于 07-30 11:29 •271次阅读

名单公布！【书籍评测活动NO.36】嵌入式机电一体化系统设计与实现

系统测试)从而实现对机器人航行器的控制，为使用标准PC硬件(包括Linux、Raspbian、ARDUINO和MATLAB xPC Target)的

发表于 07-04 10:49

水下光通信都能应用于哪些场景呢？

水下光通信设备应用场景：武汉六博光电技术有限责任公司专注于水下光通信设备研发与制造。我司严格按照水下光通信机”(T/CASME925-2023)团体标准生产与销售，分别推出了水下全自动

发表于 07-02 10:24 •446次阅读

水下测距传感器：泳池清洁机器人精准定位的必备智能感知“神器”

奥迪威超声波水下测距传感器可发出1 MHz 超声波，测量距离达8米远，满足泳池机器人水下作业的巡航避障需求，且能辅助还原水下泳池全貌，助力

发表于 05-26 08:00 •360次阅读

精选圆形连接器M系列产品

随着水下自主技术的不断进步，自主式水下机器人（AUV）已成为深海勘探和维护的得力助手。这些机器人装备了高能量密度的可充电电池组，确保了无缆作业和长时间的

发表于 04-26 08:26 •368次阅读

水下航行器电机的SiC MOSFET逆变器设计

利用 SiC 功率器件开关频率高、开关损耗低等优点, 将 SiC MOSFET 应用于水下航行器大功率高速电机逆变器模块, 对软硬件进行设计。

发表于 03-13 14:31 •335次阅读

ATA-4051高压功率放大器在仿生水下声接收器设计中的应用

　　实验名称：ATA-4051功率放大器在仿生水下声接收器设计中的应用　　实验目的：通过实验验证仿生水下声接收器的接收灵敏度与接收指向性　　实验内容：搭建了

发表于 02-28 15:58

鳍源全球首创QY-MT智测系统：引领水下机器人迈向AI无损测量新时代

QY-MT鳍源智测系统近期，鳍源科技正式发布全新QY-MT智测系统，这是鳍源自主研发的AI水下智能精准测量系统，凭借鳍源FIFISH 水下机器人的AI视觉算法、AR水下测量矩阵等强大

发表于 02-02 09:12 •387次阅读

GNSS技术助力航海业迈向新时代：海洋测绘与航行的创新应用

。本文将深入研究GNSS技术在海洋测绘与航行中的创新应用，以及如何助力航海业不断进步。 1. 高精度导航与航行安全：创新的GNSS模块为船舶提供了高精度的导航和定位服务，极大地提高了航行

发表于 02-01 14:12 •904次阅读