基于隐式离散化超螺旋算法的水下机器人姿态控制

丁宁宁，唐元贵，姜志斌

(1.中国科学院中沈阳自动化研究所中机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169；3.辽宁省水下机器人重点实验室，辽宁 沈阳 110169；4.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

海洋中深度大于 6 500 m 的海域被称为“深渊”，深渊区域大深度、超高压的工作环境对于水下机器人是十分严峻的挑战，因此人类对深渊的认知还在初级阶段[1]。面向深渊探测，全海深自主遥控水下机器人(ARV) 应运而生。ARV 作为一种混合型水下机器人，其融合了自主水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV)的部分技术。相较于传统 ROV，ARV 的作业范围增大、对母船支持要求降低但作业能力也相应减弱。相较于AUV，其特点为巡航作业时可进行实时监控，一旦发现兴趣点，即可切换为 ROV 模式利用机械手完成作业[2]。作业能力是 ARV 的一项重要能力，当ARV 进行悬浮作业时，由于机械臂对载体的耦合作用，会导致载体姿态发生较大变化，反过来又会影响机械臂作业。因此载体在机械臂扰动下的姿态稳定控制对于顺利完成水下作业十分重要。

目前已经有很多控制算法被应用于水下机器人的控制中，如 PID 控制[3]、预测控制[4-5]、模糊逻辑控制[6-7]、基于神经网络的控制[8-9]、滑模控制(SMC)[10-14]等。其中滑模控制对满足匹配条件的干扰和摄动具有较强鲁棒性，且算法简单易于工程实现，在水下机器人上得到了广泛应用。SMC的主要缺点在于存在抖振问题。对于水下机器人而言，抖振会增加推进器能耗甚至损坏推进器。……