水下滑翔机航向控制的有限时间预设性能与固定时间扰动抑制方法

本研究针对水下滑翔机(UG)在模型不确定性、环境扰动和执行器约束下的航向控制难题，提出了一种集成有限时间预设性能函数(FTPF)、固定时间滑模扰动观测器(SMDO)和输入饱和辅助系统的鲁棒控制策略。通过数值仿真验证，该方法在跟踪误差收敛速度、瞬态性能和抗干扰能力上显著优于传统滑模控制(SMC)，为海洋无人装备的精确导航提供了新思路。

　　

海洋探索的深度发展对水下无人装备的自主性提出了更高要求。作为一类通过净浮力调节实现滑翔运动的长航时自主水下航行器(AUV)，水下滑翔机(Underwater Glider, UG)因其低能耗、低噪声等优势，已成为海洋环境监测、资源勘探的重要平台。然而，动态海洋环境中存在的强非线性耦合、未知环境扰动（如洋流）以及执行器物理限制等问题，导致传统控制方法在航向维持和路径跟踪时面临收敛速度慢、超调量大、抗干扰能力不足等挑战。尤其在进行航向切换的瞬态过程中，控制性能的下降可能直接影响任务安全性和数据采集质量。

针对上述问题，由美国Office of Naval Research资助的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项创新性研究。该工作通过融合有限时间预设性能控制(PPC)、固定时间扰动观测和饱和补偿技术，构建了一套水下滑翔机水平面航向控制系统。仿真结果表明，相较于传统方法，新系统在SeaWing滑翔机模型上实现了更快的误差收敛速度、更优的瞬态响应和更强的抗干扰能力，为复杂海洋环境下的精确导航提供了可靠解决方案。

关键技术方法包括：(1)设计新型有限时间预设性能函数(FTPF)约束跟踪误差边界；(2)开发六自由度固定时间滑模扰动观测器(SMDO)估计集总扰动；(3)构建输入饱和辅助系统处理执行器约束；(4)结合积分视线制导(Line-of-Sight, LOS)实现多航点路径跟踪。研究采用含10%参数不确定性的SeaWing模型，并施加0.001sin(0.01πt)量级的周期性环境扰动进行验证。

【有限时间预设性能函数】
提出具有显式收敛时间T的FTPF函数P(t)，通过误差变换技术将受约束误差动力学转化为无约束系统。相比传统PPC，该方法可预设稳态误差界限P_∞和严格单调递减速率，确保跟踪误差在有限时间内进入预设性能包络。

【固定时间滑模扰动观测器】
扩展Zhang et al.(2020)的工作，设计基于sig^x(·)函数的滑模观测器，对体坐标系下六自由度集总扰动（含模型不确定性ΔM、ΔC和外界扰动τ_d）进行估计。通过理论证明，观测误差能在与初始条件无关的固定时间内收敛，较传统有限时间观测器更具工程实用性。

【输入饱和补偿系统】
针对执行器物理限制m_b∈[m_min,m_max]和γ∈[γ_min,γ_max]，构建辅助动态系统生成补偿信号。当控制量接近饱和边界时，该系统能快速调整控制分配策略，在保证预设性能的前提下降低饱和持续时间。

【数值仿真验证】
在周期性航向切换和LOS路径跟踪场景中，对比实验显示：传统SMC的航向角误差收敛需120秒且存在5°超调，而新方法在预设的60秒内完成收敛且无超调；在存在0.01π rad/s频率扰动时，新方法的航向角标准差降低62%。特别在航点切换的瞬态阶段，集成FTPF的控制器展现出更平滑的过渡特性。

该研究通过理论创新和技术融合，系统解决了水下滑翔机导航控制中的三个核心问题：有限时间收敛的稳定性保障、强扰动下的估计精度提升以及执行器约束的性能平衡。其技术框架可推广至其他海洋运载器的运动控制领域，为长航时无人系统的自主性提升提供了重要参考。未来工作可进一步考虑三维空间中的姿态-轨迹协同控制，以及基于现场试验的工程验证。