基于数据驱动的自主水下航行器实时动态避障与扰动抑制控制方法研究

为解决自主水下航行器(AUV)在动态障碍物和未知扰动环境下的实时避障难题，研究人员提出IDMB-ECBF-DOB控制方法。该方法通过输入-动态联合阻塞(IDMB)提升非线性模型预测控制(MPC)求解效率，结合基于相对速度的动态安全距离ECBF和扰动观测器(DOB)，在MATLAB和Gazebo仿真中验证了方法的高效性与安全性。该研究为复杂水下环境下的AUV自主导航提供了创新解决方案。

　　

随着深海资源勘探和水下基础设施维护需求的激增，自主水下航行器(AUV)面临动态障碍物规避与未知扰动抑制的双重挑战。传统方法如PID控制和滑模控制难以处理复杂约束，而模型预测控制(MPC)虽能显式处理约束，却因非线性动力学导致求解效率低下。更棘手的是，静态控制屏障函数(CBF)对高速逼近的障碍物响应迟钝，常规扰动补偿方案又存在保守性问题。这些瓶颈严重制约了AUV在复杂水域的作业能力。

针对这一系列难题，中国国家自然科学基金青年项目支持的研究团队在《Ocean Engineering》发表创新成果。研究人员融合输入-动态联合阻塞(IDMB)、动态安全距离指数控制屏障函数(ECBF)和扰动观测器(DOB)，开发出IDMB-ECBF-DOB控制器。关键技术包括：采用CasADi框架构建非线性优化问题，通过IPOPT求解器实现高效计算；在Gazebo平台建立物理仿真环境验证实时性；设计基于相对速度投影的安全距离动态调整机制。

输入-动态联合阻塞提升效率
研究创新性地对系统动力学模型和输入变量同时实施分段阻塞。相比传统仅阻塞输入的方法，IDMB使3D-AUV模型的单步求解时间降低42%，同时保持与标准MPC相当的轨迹跟踪精度。这种"双阻塞"机制有效平衡了计算复杂度与控制性能。

动态安全距离ECBF设计
突破性地将相对速度在安全梯度方向的投影纳入安全距离计算，建立动态调整机制。当AUV与障碍物相对速度增大时，ECBF自动提前触发避障动作；反之则减小保守性。仿真显示该设计使避障启动距离比静态ECBF平均提前1.2个车身长度。

DOB增强抗扰能力
通过构造Lyapunov函数证明观测器收敛性，在存在0.3m/s海流扰动时，位置跟踪误差减少63%。与鲁棒CBF相比，该方法避免过度保守控制，能耗降低17%。

跨平台验证
MATLAB数值仿真中，IDMB-ECBF-DOB使6自由度AUV在动态障碍物场景下的碰撞率从传统方法的31%降至4%。Gazebo物理仿真进一步证实其实时性，在Intel i7处理器上单步求解耗时仅28ms，满足100Hz控制频率需求。

该研究通过算法架构创新，首次实现动力学模型更新阻塞与安全约束动态调整的协同优化。相比现有方法，在保持实时性的同时将动态避障成功率提升至96%，为AUV在复杂水域作业提供了可靠的技术支撑。未来研究可探索该方法在水下多智能体协同作业中的应用潜力。