基于输入动态块更新的自主水下航行器实时避障控制方法研究

为解决自主水下航行器(AUV)在动态障碍物和未知扰动环境中的实时避障难题，研究人员提出IDMB-ECBF-DOB方法，通过输入-动态联合块更新策略提升非线性模型预测控制(MPC)求解效率，结合动态安全距离的指数控制屏障函数(ECBF)和扰动观测器(DOB)，实现高效灵活的避障控制。MATLAB和Gazebo仿真验证了该方法在扰动环境下较传统方法具有显著优势。

　　

海洋环境中自主水下航行器(AUV)的实时避障一直是个棘手问题。随着深海资源勘探、水质监测等任务需求增长，AUV需要在水流扰动和突发障碍物等复杂环境下快速响应。传统方法如PID控制或滑模控制难以处理多约束条件，而常规非线性模型预测控制(MPC)又因计算复杂度高导致实时性不足。更麻烦的是，现有避障算法对高速逼近的动态障碍物反应迟钝，加上未知海洋扰动的干扰，极易引发碰撞风险。

针对这些挑战，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。他们开发的IDMB-ECBF-DOB控制器，通过三大技术突破实现了"又快又稳"的避障性能：首先是输入-动态联合块更新(IDMB)技术，在保持预测时域的同时冻结部分模型参数更新，使MPC求解速度提升30%而不损失精度；其次是动态安全距离算法，通过将AUV与障碍物的相对速度投影到安全梯度方向，使ECBF能根据碰撞风险自适应调整避障距离；最后整合扰动观测器(DOB)实时补偿洋流等干扰，形成完整的控制闭环。

关键技术方法包括：1)基于CasADi框架构建MPC优化问题，采用IPOPT求解器；2)设计包含动态距离参数r_d的ECBF约束；3)在Gazebo中建立水下物理仿真环境验证实时性。研究选用两种AUV模型，通过数值仿真与物理仿真交叉验证。

输入-动态块更新提升效率
通过对比实验证明，IDMB方法将单次MPC求解时间控制在50ms内，较传统MB方法减少20%计算耗时。关键创新在于同步冻结动力学模型参数和输入变量更新，在16步预测时域下仅更新前4步参数，既保持控制精度又降低雅可比矩阵计算量。

动态安全距离增强避障灵活性
当障碍物以0.3m/s相对速度逼近时，ECBF+r_d方案较静态安全距离方法提前1.2秒触发避障，且避障轨迹曲率减少15%。安全距离动态调整公式?h·v_rel有效量化碰撞风险，其中h为CBF函数，v_rel为相对速度。

扰动观测提升鲁棒性
在模拟洋流扰动下，DOB将位置跟踪误差降低至未补偿时的1/3。观测器通过龙伯格观测器结构估计等效扰动，补偿项直接作用于MPC的预测模型。

该研究开创性地将模型更新机制引入块更新策略，为复杂系统实时优化控制提供新思路。动态安全距离设计突破了传统CBF对高速障碍物响应滞后的局限，Gazebo实验结果证实了工程应用可行性。未来研究可拓展至多AUV协同避障场景，并探索块更新模式的自适应调整算法。