基于改进无迹变换的船舶不确定性优化方法及其在AUV动态避障中的应用研究

为解决AUV(自主水下航行器)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-动力学联合移动阻塞技术提升MPC求解效率，结合动态安全距离的ECBF和扰动观测器，在MATLAB和Gazebo仿真中验证了该方法在保持导航精度的同时显著提升避障灵活性。

　　

在深海资源勘探和水下基础设施维护需求激增的背景下，自主水下航行器(AUV)面临动态障碍物避障和未知扰动应对的双重挑战。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AUV非线性动力学特性导致求解效率下降。更棘手的是，现有避障方法如控制屏障函数(CBF)对高速逼近的障碍物响应迟钝，而静态安全距离设计又可能造成保守导航。

针对这些痛点，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。该研究提出输入-动力学联合移动阻塞(IDMB)技术，通过同步阻塞系统动力学模型更新和控制输入，使MPC求解耗时降低23%的同时保持毫米级轨迹跟踪精度。更突破性的是，团队发现基于相对速度在安全梯度方向投影的动态距离r_d比传统欧氏距离更能反映碰撞风险，据此设计的指数控制屏障函数(ECBF)使避障决策提前1.2秒触发。结合扰动观测器(DOB)构建的IDMB-ECBF-DOB控制器，在5节流速扰动下仍能实现安全距离误差小于0.3米的精准避障。

关键技术包括：1)基于CasADi框架构建非线性MPC优化问题；2)采用IPOPT求解器处理带ECBF约束的OCP(最优控制问题)；3)在Gazebo中搭建包含未知洋流扰动的物理仿真环境。

主要研究发现：
• 输入-动力学移动阻塞：通过固定连续3个预测步长的动力学模型参数，将16步预测的求解时间从218ms压缩至167ms，计算效率提升23.4%。
• 动态安全距离ECBF：当障碍物相对速度在安全梯度方向分量超过阈值时，r_d自动扩展12%-15%，使AUV在障碍物距15米处即开始避障机动。
• DOB-MPC协同：对周期性洋流扰动估计误差小于0.05N，相较未补偿系统将路径偏差降低62%。

该研究的意义在于：首次实现动力学模型更新频率与输入阻塞的协同优化，突破传统MB方法在非线性系统应用的局限；提出的r_d指标为动态避障提供量化风险评估依据；整套方法在保持实时性的同时，解决扰动环境下"贪婪避障"导致的局部最优问题。未来可扩展至多AUV协同避障场景，为深海作业提供可靠技术支撑。