《Journal of Marine Science and Engineering》：Pitch and Depth Control of a Biomimetic Swimming Robot Using Pectoral Fins
编辑推荐：
与传统的螺旋桨驱动航行器相比，仿生自主水下航行器（Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle, BAUV）因其高能量效率、高机动性和低辐射噪声而作为水下平台受到越来越多的关注。研究人员针对一种配备浮力引擎以调节浮力、并配备
与传统的螺旋桨驱动航行器相比，仿生自主水下航行器（Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle, BAUV）因其高能量效率、高机动性和低辐射噪声而作为水下平台受到越来越多的关注。研究人员针对一种配备浮力引擎以调节浮力、并配备胸鳍以控制横滚和俯仰的大型BAUV，开展了一项关于深度与姿态控制的实验研究。研究人员设计并制造了一台1.9米长的BAUV，其中基于活塞-滚珠丝杠的浮力引擎将净浮力调节至近中性状态，胸鳍则由基于PID（比例-积分-微分，Proportional-Integral-Derivative）的控制器驱动以调节姿态。通过使用浮力引擎的深度控制实验和使用胸鳍的姿态控制实验，在工程水槽中对集成控制系统进行了评估。深度控制试验证实，浮力引擎能够在近中性浮力条件下准确下潜至指令深度并维持该深度。胸鳍实验展示了稳定的姿态调节能力，横滚均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）为1.65°，俯仰可快速收敛至指令参考角。最后，在工程水槽和现场实验中，通过航点跟踪实验验证了浮力引擎与胸鳍联合的集成深度跟踪，其RMSE分别为0.133米和0.257米。这些结果证实，所提出的BAUV系统能够在三维水下环境中实现稳定的深度和姿态控制，表明其可应用于实际水下现场探测。
水下机器人在海底资源勘探、海洋生态系统监测和搜救等任务中发挥着关键作用。与常规螺旋桨推进器相比，仿生自主水下航行器（Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle, BAUV）具有高能量效率、高机动性和低辐射噪声等优势，因此受到越来越多的关注。鱼类推进模式通常分为中央鳍/对鳍（Median and Paired Fin, MPF）模式和身体/尾鳍（Body and Caudal Fin, BCF）模式。胸鳍既可用于推进，也可用于姿态控制。已有研究分别探索了基于胸鳍的姿态控制和基于变浮力系统的深度控制，但在大尺度BAUV上集成浮力引擎和胸鳍以实现俯仰和深度联合控制的实验研究仍然有限。由于水动力参数难以精确辨识，且实际系统存在建模不确定性和控制约束，研究人员选择采用可实验整定的PID控制器，开展系统级集成与验证研究。
研究人员设计并制造了一台总长1.9米、重约50千克（不含外壳）或70千克（含外壳）的BAUV。该BAUV配备基于活塞-滚珠丝杠机构的浮力引擎，用于调节净浮力至近中性状态；同时配备一对胸鳍，用于横滚和俯仰控制。控制系统中，单板计算机（Single Board Computer, SBC）作为主处理器，两个微控制器单元（Microcontroller Unit, MCU）分别负责传感和驱动。传感器包括超短基线（Ultra-Short Baseline, USBL）、多普勒速度计（Doppler Velocity Log, DVL）、姿态航向参考系统（Attitude and Heading Reference System, AHRS）以及深度传感器。通过工程水槽和现场实验，研究人员验证了集成控制系统能够实现稳定的深度与姿态控制，证明了该系统在实际水下探测中的适用性。
研究人员使用的主要关键技术方法包括：基于活塞-滚珠丝杠的浮力引擎，通过伺服电机驱动活塞改变排水体积以调节浮力；基于NACA 0020翼型的胸鳍，由伺服电机驱动，角度限制为±45°；采用PID控制器分别控制浮力引擎和胸鳍，控制周期为0.1秒，增益通过实验整定；航点跟踪控制算法，定义距离误差、深度误差和俯仰误差，通过预设半径ρ
c在浮力引擎与胸鳍之间切换执行器；以及由USBL、DVL、AHRS和深度传感器组成的导航与传感系统。实验在工程水槽和开放水域现场进行。
4.1 浮力控制性能实验
在该实验中，研究人员使用PID控制器以目标深度3米、5米、2米依次进行深度控制。结果显示，BAUV分别约60秒、40秒、100秒达到目标深度，稳态平均误差分别为0.17米、0.28米、0.06米。活塞位移约-7毫米时对应近中性浮力条件，可稳定维持深度。该实验证实浮力引擎能够在多深度转换过程中实现准确的深度调节。
4.2 胸鳍控制性能实验
实验在工程水槽中进行，通过胸鳍PID控制器控制横滚和俯仰。横滚参考固定为0°，俯仰参考依次变化。结果表明，横滚RMSE为1.65°，俯仰从0°到-10°约需2秒，稳态误差1.36°；从-10°到15°约需2.7秒，稳态误差2.04°；从15°到0°约需1.7秒，稳态误差0.69°。该实验证实胸鳍能够完成快速且稳定的姿态调节。
4.3 航点跟踪过程中的深度控制性能
4.3.1 工程水槽实验：实验设定目标深度2米、目标半径1米，BAUV游泳约450秒，尾鳍驱动频率2赫兹。在首次到达目标深度后，深度跟踪RMSE为0.133米，证实集成控制策略在水池环境中有效。
4.3.2 现场实验：在开放水域重复相同流程，目标深度3米、目标半径1米，历时200秒。观察到初始超调，但瞬态响应消退后系统成功维持指令深度；排除最初40秒瞬态后，深度跟踪RMSE为0.257米，证实集成控制在真实海洋环境中有效。
讨论方面，研究人员观察到浮力引擎的深度响应相对较慢，且不同目标深度下的稳态误差差异可能与其下潜和上浮动态特性不同有关。在集成控制策略中，接近目标深度时使浮力引擎保持近中性浮力，由响应较快的胸鳍补偿剩余深度误差，从而避免两个执行器同时调节可能产生的相互作用。现场实验的初始超调在瞬态后消失，系统最终稳定在指令深度附近。
研究结论可归纳为：本研究通过实验研究验证了一种用于现场探测的大型BAUV的深度和姿态控制性能。所开发的1.9米BAUV集成了浮力引擎和PID控制的胸鳍，并配备了传感器系统。浮力引擎在3米、5米、2米目标深度下分别达到0.17米、0.28米和0.06米的平均稳态误差；胸鳍控制实现了横滚RMSE 1.65°和快速俯仰收敛。集成深度控制在水池和现场实验中均获得验证，现场实验的深度跟踪RMSE为0.257米。这些结果表明，所提出的BAUV系统能够在受控和真实水下环境中实现稳定的深度与姿态控制，具备应用于实际水下现场探测任务的潜力。
