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基于B样条规划与元学习LTV-MPC的AUV地形跟踪方法

朱英姣 严天宏 刘莹莹 刘易雳

朱英姣, 严天宏, 刘莹莹, 等. 基于B样条规划与元学习LTV-MPC的AUV地形跟踪方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0011
引用本文: 朱英姣, 严天宏, 刘莹莹, 等. 基于B样条规划与元学习LTV-MPC的AUV地形跟踪方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0011
ZHU Yingjiao, YAN Tianhong, LIU Yingying, LIU Yili. AUV Terrain-Following Method Based on B-Spline Planning and Meta-Learning LTV-MPC[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0011
Citation: ZHU Yingjiao, YAN Tianhong, LIU Yingying, LIU Yili. AUV Terrain-Following Method Based on B-Spline Planning and Meta-Learning LTV-MPC[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0011

基于B样条规划与元学习LTV-MPC的AUV地形跟踪方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0011
详细信息
    作者简介:

    朱英姣(2001-), 女, 硕士, 主要研究方向自主水下航行器控制

  • 中图分类号: TJ630; U674.941

AUV Terrain-Following Method Based on B-Spline Planning and Meta-Learning LTV-MPC

  • 摘要: 针对自主水下航行器(AUV)在复杂海底地形下近底自主航行时难以同时满足跟踪精度、离底安全和执行器约束的问题, 文中提出一种基于滑动窗口B样条规划的地形跟踪方法, 并在控制层引入基于元学习的权重自适应线性时变模型预测控制(LTV-MPC)策略。规划层采用3次B样条在坡度约束下生成保持定高裕度的参考路径, 结合滑动窗口机制实现局部优化与全局连续性的平衡; 控制层采用 LTV-MPC控制器, 由元学习网络根据地形曲率、深度及姿态误差等特征在线调整代价函数权重, 以适应不同地形条件下的跟踪难度变化。元网络参数通过贝叶斯优化在多组合成地形闭环仿真数据上离线训练, 学习地形特征与最优权重的映射关系, 在线阶段仅需前向推理, 计算效率高。在所设定的仿真场景中, 合成地形与实测地形数据验证表明, 相比LOS-PID, 所提方法的均方根(RMS)跟踪误差在两种地形下分别降低42.5%和31.3%, 相比标准LTV-MPC, RMS跟踪误差分别降低4.5% 和6.1%, 同时满足俯仰角和舵角约束, 有效解决了复杂地形下跟踪精度与安全性的平衡问题。

     

  • 图  1  AUV海底地形跟踪示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of AUV submarine terrain tracking

    图  2  规划与控制一体化框架图

    Figure  2.  Framework diagram of planning and control integration

    图  3  地形剖面与 AUV 路径拟合

    Figure  3.  Terrain profile and AUV path fitting

    图  4  规划层路径坡度与离底高度

    Figure  4.  Path gradient and height from bottom of planning layer

    图  5  深度跟踪性能对比

    Figure  5.  Depth tracking performance comparison

    图  6  俯仰角跟踪性能对比

    Figure  6.  Comparison of pitch angle tracking performance

    图  7  控制输入对比

    Figure  7.  Control input comparison

    图  8  真实地形下的轨迹跟踪对比

    Figure  8.  Comparison of trajectory tracking in real terrain

    表  1  滑动窗口在线规划流程

    Table  1.   Sliding window online planning process

    步骤执行内容
    1初始化窗口参数$ ({L}_{\text{win}},\Delta {x}_{\text{win}}) $及权重$ ({\lambda }_{s},{\lambda }_{t}) $
    2获取窗口$ {\mathcal{W}}_{k} $内地形点数据$ ({x}_{i},{\textit{z}}_{i}) $
    3构建局部优化问题(式(12))
    4求解最优控制点子集$ P_{k}^{*} $
    5施加相邻窗口间路径连续性约束(式(13))
    6更新全局B样条参考路径$ S\left(x\right) $
    7输出路径至底层控制模块, 滑动窗口返回步骤2
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    表  2  主要参数取值

    Table  2.   Key parameter values

    模型参数 取值 算法参数 取值
    $ m $ 73 kg $ {\gamma }_{\max } $ ±25°
    $ L $ 2.2 m $ {\kappa }_{\max } $ 0.08 m−1
    $ {X}_{\dot{u}} $ −6.5 kg $ {N}_{p} $ 17
    $ {Z}_{\dot{w}} $ −64.2 kg $ {N}_{c} $ 9
    $ {M}_{\dot{q}} $ −14.1 kg·m2 $ \Delta t $ 0.1 s
    $ {X}_{u} $ 0.0 N·s/m $ {u}_{r} $ 1.5 m/s
    $ {X}_{u|u|} $ 2.974 N·s2/m2 $ \boldsymbol{Q} $ diag(0.15, 350,
    150, 120, 8, 3)
    $ {Z}_{w} $ 134.051 N·s/m $ \boldsymbol{R} $ diag(0.05, 0.35)
    $ {Z}_{w|w|} $ 9.375 N·s2/m2 $ \begin{aligned}& [\alpha _{\mathrm{i}}^{\min },\alpha _{i}^{\max }],\\& i\in \{{\textit{z}}, \theta ,\delta \}\end{aligned} $ [0.8, 2.0]
    $ {M}_{q} $ 35.145 N·m·s
    $ {M}_{q|q|} $ 0.369 N·m·s2
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    表  3  合成地形场景下控制器性能对比

    Table  3.   Performance comparison of controllers in synthetic terrain scene

    控制器RMS误差/m峰值误差/m滞后时间/s
    LOS-PID0.0730.2820.00
    标准LTV-MPC0.0440.3100.00
    自适应LTV-MPC0.0530.3450.00
    元学习LTV-MPC0.0420.2890.00
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    表  4  真实地形下控制器性能对比

    Table  4.   Performance comparison of controllers in real terrain

    控制器RMS误差/m峰值误差/m滞后时间/s
    LOS-PID0.0670.3570.00
    标准LTV-MPC0.0490.3490.00
    自适应LTV-MPC0.0520.367−0.10
    元学习LTV-MPC0.0460.3370.00
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    表  5  不同时域参数下的MPC求解时间

    Table  5.   MPC solution time under different time domain parameters

    预测时
    域$ {N}_{p} $
    控制时
    域$ {N}_{c} $
    元学习推
    理时间/ms
    元学习MPC
    调用时间/ms
    单步控制
    总耗时/ms
    15 8 0.70±0.19 4.7±1.2 5.0±1.6
    17 9 0.74±0.10 4.9±0.7 5.3±0.7
    20 10 0.92±0.19 6.2±1.3 6.6±1.3
    注: 元学习MPC调用时间中包含元学习推理时间; 单步控制总耗时除元学习MPC调用外还包括状态估计、参考生成及数据记录等开销。
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    表  6  不同历史采样点配置下的规划层求解时间

    Table  6.   Planning layer solving time under different historical-sample configurations

    历史采样点数拟合点数B样条控制点数求解时间/ms
    208433.0±6.8
    4018675.9±17.2
    602810125.9±35.6
    803814235.7±55.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-01-13
  • 修回日期:  2026-02-06
  • 录用日期:  2026-02-10
  • 网络出版日期:  2026-07-18
图(8) / 表(6)

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