潜水器关键技术研究现状分析

廖林坚 张明（中海辉固地学服务(深圳)有限公司，广东 深圳 518000）

随着海洋领域相关活动的不断开展和海洋资源的不断深入开发，各国深刻认识到海洋权益与资源的重要性，都在逐步加大海洋高新技术的投入力度，大力推进海洋探测设备及作业装备技术的研发，潜水器作为其中重要的载体，在海洋勘察与开发中起着重要作用。潜水器，又称水下运载器或水下机器人，是一种具有一定视觉功能和感知功能、可以通过遥控或者自主方式在海水中移动、使用工具、代替潜水员完成水下作业的设备，它综合了操作控制、通讯、导航、数据传输与处理等多方面技术，是集机械、流体、控制、电子等多学科的综合体。由于我国在潜水器领域的发展较晚，关键核心技术大部分掌握在国外的手中，随着我国对海洋勘探与资源开发的需求日益增强，潜水器的研制开始得到更多关注和投入，国内相关组织机构的自主研发也取得了不少突破和应用，为我国深海开发与应用提供了强有力的技术支持。本文主要在查阅相关文献的基础上对国内外潜水器的关键技术研究现状进行概述，旨在为同行开展相关研究提供思路和借鉴。

1 潜水器关键技术研究现状

由于海上环境复杂多变，潜水器的工作环境复杂而危险，因此其在航行与作业中的安全性与稳定性就显得非常重要，借助完备的数学模型和先进的控制策略设计潜水器外形与布局和控制系统对确保潜水器在水下安全高效的作业起着关键作用。查阅目前近几年国内外相关文献可知，目前科学界关注的技术重点主要有潜水器运动控制技术、动力控制分配技术、水动力系数预报研究等，下面对这几种关键技术进行汇总分析。

2 潜水器运动控制技术

关于潜水器运动控制理论与算法，目前常用的主要包括PID控制及改进的PID控制、滑模控制、自适应控制、模糊控制、神经网络、鲁棒控制、反步法、二次型最优控制等理论，这些理论在控制器里有的是单独应用，有的是两个控制算法综合使用，这里介绍几种主要的常用控制理论。

PID 控制一般是线性控制，控制效果主要取决于动力系统的线性化模型的精度，由于海上环境的复杂性和不确定性，潜水器受复杂水流的影响较大，具有动态的时变性和非线性，这使得PID控制受到很大限制，因此研究人员开始开发更先进的PID控制器，如将模糊控制加入PID控制器，使用蚁群算法在线优化PID 控制器参数，将神经网络控制与PID 控制结合起来实现PID控制器的自校正等。

滑模控制最早是由苏联科学家提出，发展至今已形成较为完整的理论体系，其突出特点是滑动模态对系统摄动和外部干扰的不变形，缺点是存在非线性引起的自振，如Wallace M Bessa 等设计的自适应模糊滑模控制器，可以对潜水器电-液系统进行精准控制。

自适应控制是在线估计不确定的被控对象参数，并在控制器中使用这个估计值，常用的方法是模型参考自适应控制和间接自适应控制，如潜水器机械手的作业系统存在不确定性和有外界未知干扰问题，可以采用基于最小二乘法估计的自适应控制策略完成局部区域的跟踪控制任务。

模糊控制理论是以模糊数学为基础，用语言规则表示控制方法，借助模糊推理进行决策，目前是人工智能领域应用最广泛的控制理论，也有学者开始将模糊控制策略用于潜水器的运动控制，这种控制策略不需要特别精确的数学模型就可以实现对不确定性系统和非线性系统的控制，抗干扰能力较强，但语言规则限制了控制系统的稳定性和灵敏性。

3 动力控制分配技术

动力控制分配策略最初主要应用于船舶的动力定位系统，随着现代控制理论的不断发展与成熟以及各种智能优化算法的深入应用，动力控制分配逐步在航天器系统、汽车系统、海上浮式平台系统和潜水器运动控制系统等各个领域使用。潜水器运动控制分配系统主要包括动力控制分配技术与运动控制算法，二者共同确保潜水器安全高效地在水中航行与工作，其中动力分配控制主要是根据所给定的约束条件，以最小能耗为目标合理分配各个推进器的推力，目前控制分配算法主要有伪逆法、直接分配法、基于数学规划的优化算法、动态控制分配、多目标优化等。

伪逆法主要适用于推进器不存在矢量布置角度优化时的情况，由于其无法对矢量夹角进行优化，因此在全自动控制系统中难以使用此算法。基于数学规划的优化算法是把优化问题离散成等效的凸规划序列，这种序列可以迭代，从而求出最优解，这种算法主要适用于小规模的非线性约束的最优化问题。动态控制分配算法是从控制算法解算的期望值出发，实时分配期望值给各个推进器，使推进器实际输出与期望值尽可能相吻合，这种算法可以在冗余的情况下解决一定约束条件下的最优化分配问题，同时提高系统的故障容错能力。

4 水动力系数预报研究现状

潜水器由于是完全浸泡在在几百米甚至是几千米的海水中作业，因此一般在研究时不考虑自由液面对其运动的影响，在水中进行常规悬停操作作业或匀速缓慢的观察作业时，只考虑粘性水动力作用，而在做加速或减速运动时则要考虑加速度带来的附加质量的影响，潜水器的水动力系数目前常用的测算方法有经验公式法、CFD仿真计算法、系统辨识法、拘束或自航模型试验法等。

由于潜水器自身结构形式多样，上面还安装各种监视器和传感器，目前还没有足够的资料可以支持水动力系数的真实值计算，大部分情况下靠经验公式进行估算，由于这种计算方法的精度和适用性相对较差，在一些多方案优化选型中无法推广使用。CFD 流体仿真对于几何外形较为规则及流线型外形的潜水器的适用性较强，但绝大多数的潜水器都属于非规则外形的结构，再加上潜水器上的各种附件，因此这种仿真算法受到很大限制。系统辨识法主要用于潜水器在实际航行中对水动力系数进行修正处理，而不能用于潜水器设计阶段的水动力系数计算。目前最有效的方法是通过拘束或自航模型试验来获取水动力系数，但是试验会耗费大量时间和金钱，由于所得数据准确性和有效性较高，因而也是目前最受青睐的水动力系数测算方法。

5 结语

本文主要对国内外潜水器的关键技术研究现状进行概述，目前科学界关注的技术重点主要有潜水器运动控制技术、动力控制分配技术、水动力系数预报研究等，其中潜水器运动控制技术主要包括PID控制及改进的PID控制、滑模控制、自适应控制、模糊控制、神经网络、鲁棒控制、反步法、二次型最有控制、线性矩阵不等式等控制理论，动力分配控制算法主要有伪逆法、直接分配法、基于数学规划的优化算法、动态控制分配、多目标优化等。潜水器的水动力系数常用的测算方法有经验公式法、CFD 仿真计算法、系统辨识法、拘束或自航模型试验法等。由于海上环境复杂多变，潜水器的工作环境复杂而危险，这些关键技术在潜水器领域的研究与应用目前来看都是相对分散的，还处于不断试验和经验总结阶段，未形成系统化理论，随着各项关键技术在各个领域的同步发展与相互促进，未来潜水器的设计与开发会更加智能，水下作业会更加安全高效。