基于内部能量管理和外部路径规划协同的水下无人航行器能耗优化

侯 慧， 陈洋洋， 谢长君， 吴细秀， 谢 坤， 范则阳

(1.武汉理工大学自动化学院， 湖北 武汉 430070； 2.中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)

1 引言

随着世界各国对海洋资源开发与利用的日益重视，水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)因具有自主航行能力，可以代替人类执行众多危险任务，已经成为海洋领域研究的一大热点[1,2]。但UUV自身体积有限，能够携带的能源储量也有限，因此如何以最小的能耗代价来完成较长航程任务是一个亟待解决的研究课题[3]。

在不改变UUV本身结构的前提下，可以通过制定能量管理策略[4]和规划UUV的航行路径[5]减少能源消耗。能量管理策略大致可分为基于规则控制和基于优化控制等[6]。基于规则控制的能量管理策略由于实用性强、可靠性高等优势在实际生产中应用较为广泛[7]。其中，基于确定规则，文献[8]对功率跟随能量管理策略中的参数和荷电状态(State Of Charge, SOC)调节方式进行了充分分析，设计了Z曲线法和PI调节法，使能量源的SOC上限和充电功率参数保持在适度范围内，以减小能量源的燃料消耗量和波动率。相对于确定规则控制，模糊规则控制是将输入量进行模糊化处理，经过模糊规则推理计算出输出量，不需要建立被控对象的确切数学模型[9]。文献[10]使用IF-THEN规则列表将不同能量源相关联，并基于系统不同驱动模式为它们分配一定的逻辑关系，实现不同能量源之间的功率分配，从而提高系统的整体燃料经济性。但基于规则控制的能量管理策略由于其预先设定了规则，在实际应用过程中无法进行调整，因此导致在复杂的工况下控制效果表现欠佳，而基于优化控制的能量管理策略则可以在复杂工况下寻求系统的最优解[11]。……