近幾十年來，水下航行器已廣泛用于許多軍事應用。特別是，自主水下航行器（AUV）在開發民用應用以提高經濟效益方面具有重要意義，例如海洋勘探，環境監測，測繪以及災難和海嘯警報。

AUV的控制器設計一直是一個挑戰，因為控制器與復雜水下環境中的AUV動力學密切相關。AUV控制器可以由離散模型、連續模型及其在混合動態系統（HDS）中的相互作用組成，如混合自動機（HA）建模。傳統的控制方法通常用于實現復雜系統，以使其對控制器更有效，它們也被用于構建AUV控制器。下面介紹一些應用于AUV的傳統控制技術。

李雅普諾夫穩定性被證明是非常活躍的，然而，所需航路點的穩定性不足以跟蹤水平平面軌跡。比例-積分-微分（PID）調節器被證明非常適合在跟蹤水平平面軌跡時的AUV中使用。使用這種方法可以成功執行第一次自主航行。盡管如此，PID控制器還是需在沒有大干擾的情況下控制AUV。線性二次（LQ）控制器呈現了平均穩定結果。反步方法被證明能夠在高環境噪聲條件下控制歐拉橫滾、俯仰和偏航（RPY）角。滑動模式控制器（SMC）在單獨應用時沒有給出良好的結果，因為它似乎缺乏對AUV動力學的適應。因此，在一些研究反步，神經網絡，計算扭矩方法和數字濾波器（如擴展/無跡卡爾曼濾波器（EKF / UKF））的研究中，通過使用控制技術來提高其AUV性能，SMC得到了改進。

上述評估導致我們選擇PID和反步的組合來執行AUV控制器的連續模型演化，稱為積分反步（IB）技術。

在開發新的AUV應用的生命周期時，還必須考慮可重用性，以降低成本和資源。對象管理組織（OMG）標準化了統一建模語言（UML），該語言是用于可視化，指定，構造和記錄軟件密集型系統工件的行業標準。系統建模語言（SysML）由OMG標準化用于系統工程。SysML是UML的擴展，可以提供簡單但功能強大的構造，用于對各種系統工程問題進行建模。然而，UML和SysML的缺點是它們缺乏對已開發系統的內部連續行為的演變進行建模的能力。

另一方面，基于模型的系統工程（MBSE）方法由INCOSE形式化，以在復雜系統的開發生命周期中對整個工件進行穩健建模。在對MBSE方法的調查中發現了系統工程方法的例子，包括Magic Grid，Harmony-SE，面向對象的系統工程方法（OOSEM），系統工程的合理統一過程（RUP-SE），狀態分析方法和對象過程方法（OPM）。模型驅動架構（MDA）由OMG標準化，用于將系統操作規范與系統如何使用其平臺功能的細節分開。MDA 的三個主要目標是通過架構關注點分離實現可移植性、互操作性和可重用性。在這里，可移植性允許在新的或多個平臺上實現相同的解決方案，互操作性創建了可以輕松與其他系統集成和通信并使用各種資源應用的系統，而可重用性構建了可以在不同上下文中的許多不同應用中重用的解決方案。Sebastián等人通過在2008年至2018年期間對軟件工程中的MDA文獻進行系統映射來調查MDA應用。實際上，MDA的原則可以在統一架構框架（UAF）中使用，以加強系統的互操作性。在許多商業應用中，實時SysML / UML已與上述基于模型的系統工程方法相結合。因此，MBSE方法和MDA的功能可以與實時UML和SysML結合使用，以詳細描述開發系統的工件。

在上述評估點的基礎上，本工作側重于構建基于MBSE方法的混合控制模型，結合MDA概念、實時UML/SysML和HA，使我們能夠集中實現AUV控制器。設計的控制工件可以定制和重復使用，以部署在各種AUV平臺上。本研究將用于控制的AUV動態模型與MDA特征的特化相結合，由平臺專用模型（PSM）、平臺獨立模型（PIM）和計算獨立模型（CIM）組成。最后，部署了在自由面上運行的微型魚雷形自主水下航行器的平面軌跡跟蹤控制器，并通過仿真實驗進行了評估。

本研究的三個主要貢獻如下：

(1)MBSE方法與MDA組件一起適用于AUV控制器生命周期開發的可用性。

(2)設計的控制器可定制并可重復使用在多種AUV上。

(3)研制了在自由面上運行的微型AUV平面軌跡跟蹤控制器，并通過仿真實驗進行了評估。

AUV的六個運動被海軍架構師和海洋工程師協會（SNAME）定義為搖擺，浪涌，滾動，升沉，偏航和俯仰（表1）。

表 1.海軍架構師和海洋工程師協會（SNAME）水下航行器的標識

在慣性系中，η = [η1T，η2T]T由位置η1 = [x，y，z]T和方向η2 = [?，θ，ψ]T組成。而回到自身框架中，速度ν= [v1T，v2T]T包括線速度v1= [u，v，w]T和角速度 v2 = [p，q，r]T。模型矩陣M、C（ν）和D（ν）分別表示慣性、科里奧利和阻尼，而 g（η）是重力和浮力的矢量。在公式（2）的右側，τ（v，u）是作用在AUV上的合力和力矩的矢量，u表示控制輸入。

狀態空間離散性模型可用于模擬AUV的控制演化，該模型用于通過使用EKF或UKF方法估計AUV的狀態；控制系統的運動可以描述為公式（3）所示。

圖1.自主水下航行器（AUV）的自主架構模塊定義圖

根據上述AUV動態和控制架構，以及第2節中描述的HDS的定義，AUV控制器可以被視為HDS，其動態行為可以通過HA建模，并通過視線（LOS）導航性實現。

文章來源：創景科技