文章标题：横滚约束下改进鲸鱼算法的X舵AUV控制

文章作者：钟耀鹏^1,2, 袁剑平^1,2,3, 王策男⁴, 陈庆东^1,2, 万磊³
关 键 字：X舵自主水下航行器;线性二次型最优控制;非线性扩张状态观测器;鲸鱼优化算法
文章摘要：针对X舵自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）在未知海流干扰下横滚耦合效应影响与节能的多目标约束控制问题，提出一种改进鲸鱼优化算法，并基于此设计多目标约束鲸鱼非线性扩张状态观测器–线性二次型最优（Whale Extend State Observer–Linear Quadratic Regulator，WESO–LQR）控制器。首先，为了抑制横滚耦合效应，设计一种具备横滚控制能力的航向–深度线性二次型最优控制器（Linear Quadratic Regulator，LQR）；其次，针对环境中未知海流干扰和模型中的不确定未知项影响，引入非线性扩张状态观测器（Extend State Observer，ESO）对系统的未知项估计；最后，针对舵机频繁纠偏动作能耗加剧的问题，采用改进鲸鱼优化算法（Whale Optimization Algorithm，WOA）对控制器参数进行优化。仿真结果表明，具备横滚控制的LQR控制算法可将平均横滚角抑制在2.8°内；在未知海流干扰下，ESO–LQR相较于LQR，深度与航向跟踪误差分别降低19.3%与7.91%；WESO–LQR总舵机动作频次较非线性扩张状态观测器–线性二次型最优控制（ESO–LQR）减少约15.8%，评价指标降低了15.57%。结果表明，在未知海流干扰下，所提方法能够实现横滚耦合下的稳定控制，可降低系统能耗。