姚绪梁，孟令卫，牛小丽

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001

基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制

姚绪梁，孟令卫，牛小丽

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001

［目的］水下机器人（AUV）在近水面航行时，不可避免地会受到海浪的干扰，海浪干扰导致的纵摇和升沉运动不仅会影响AUV的航行姿态，同时也会导致其航行阻力增加，加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态和航行阻力的加权最优，［方法］建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情况进行研究，利用势流理论的方法，推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标，确定控制器中的Q矩阵和R矩阵，并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统（LQR）控制器。［结果］仿真结果表明，加入LQR控制器后，减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%，纵摇增阻减小到原来的1/6。［结论］研究结果显示，基于能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优，节约能量消耗，增加AUV的续航力。

航行阻力优化；LQR控制；纵摇减摇；势流理论

0 引 言

当小型水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）执行任务时，能耗是影响其航行能力的主要因素，能耗主要取决于航行阻力的大小。当AUV在近水面航行时，海浪引起的纵摇运动会导致航行阻力的增加。AUV携带的能量有限，阻力的增加会导致其续航力的减少。

国际海事组织（International Maritime Organi⁃zation，IMO）提出了一种新的船舶能效设计指标（Energy Efficiency Design Index，EEDI）［1］，这就要求在设计AUV的纵摇减摇控制器时，考虑AUV的节能问题。控制策略不仅要追求运动幅值最小，同时还要考虑驱动装置能量和纵摇增阻的优化［2］。……