多模态水下机器人SWIFT的敏捷姿态转换与运动性能研究
作者与发表信息
本研究的核心作者团队来自上海交通大学海洋学院，包括Hexiong Zhou、Junjun Cao（IEEE会员）、Jian Fu、Zheng Zeng（IEEE高级会员）、Baoheng Yao（通讯作者）、Zhihua Mao及Lian Lian（IEEE高级会员）。研究成果以论文《SWIFT: Transition Characterization and Motion Analysis of a Multimodal Underwater Vehicle》的形式发表于IEEE Robotics and Automation Letters 2024年2月刊（第9卷第2期）。研究得到中国博士后科学基金（2023M732196、2023TQ0214）、上海交通大学海洋交叉学科项目（SL2022ZD206）、国家重点研发计划（2021YFC2801600）和国家自然科学基金（42206189）的资助。
学术背景与研究目标
科学领域与问题背景
海洋观测技术长期依赖传统无人平台（如自主水下航行器AUV、水下滑翔机UG、浮标等），但现有设备在多尺度三维原位观测中面临两大瓶颈：
1. 姿态调节能力受限：传统UG通过移动内部质量块调整俯仰角（pitch）和横滚角（roll），但航向角（heading）需依赖滑行中的流体动力力矩，转向半径达数十米（如Seaglider约30米），无法在狭窄空间（如极地冰隙）实现原位转向。
2. 多模态兼容性不足：现有平台难以同时兼容Argo浮标（垂直剖面运动）、UG（滑翔运动）和AUV（自主巡航）的操作模式，制约了综合观测效率。
研究目标
团队提出新型多模态水下机器人（Multimodal Underwater Vehicle, MUV）SWIFT，旨在实现：
- 大范围敏捷姿态转换：俯仰/横滚角调节范围达±90°，航向角原位调整近150°（无需螺旋桨或舵等外部驱动）；
- 多模式无缝切换：兼容Argo、UG、AUV三种工作模式；
- 动态行为精准建模：通过改进的流体动力模型刻画瞬态转换过程，仿真与实验误差仅8°。
研究方法与技术路线
1. 原型机设计与创新机制
核心子系统
- 浮力调节系统（Buoyancy Regulating System, BRS）：四活塞联动机构调节外部油囊体积，同时改变浮力与重心位置（沿纵轴e0e1移动）；
- 姿态调节系统（Attitude Regulating System, ARS）：
- 可动质量块（Movable Mass, MM）：含两块6S锂电池（总重3.2 kg），兼具平移（行程100 mm）和旋转（全域旋转）功能；
- 创新设计原则：打破静态质量（ms）与可动质量（mp）的力矩平衡（原关系式：mprp = mszrs），允许合成重心（CG）延伸至e0-e1e2平面上方，实现航向快速调整。
关键控制序列（图4）
- 水平-垂直姿态转换：优先平移MM至平衡位置，再旋转MM至背部朝上；
- 原位航向调整：反转控制序列（先平移后旋转），触发“翻滚”动作（belly-up→back-up），实验显示航向调整达148°。
2. 动力学建模与仿真
多体系统动力学框架
- 坐标系定义：惯性参考系（IRF）、机体固定系（BRF）、速度参考系（VRF）；
- 广义运动方程：
math \lambdȧ = γ_1^{-1} \left( \begin{bmatrix} p × ω \\ π × ω + p × v \end{bmatrix} + m_p γ_3 + τ_q \right) 其中动量项p、π由质量分布矩阵γ1和MM运动状态γ2决定。
#### 流体动力改进
- 零速旋转阻尼：针对悬停状态引入阻尼系数k’_p、k’_q、k’_r，修正传统UG模型仅适用于滑翔的局限；
- 非对称质量惯性矩：通过旋转矩阵rγ描述MM偏心距（rp = [rp,x, -rp sinγ, rp cosγ]^T）的动态变化。
### 3. 实验验证
#### 测试环境与数据处理
- 6米深水池实验：采用AHRS传感器（5 Hz采样）记录姿态，通过四元数-欧拉角转换避免±90°俯仰角时的奇点问题（图6）；
- 执行器响应模型：基于PWM信号驱动直流电机的简化动力学（式8-11），识别时间常数矩阵υ和增益矩阵κ。
#### 实验场景
- 极端姿态转换：水平→垂直俯仰角达-89°（nose-down）/86°（nose-up），仿真与实测轨迹吻合（图7）；
- 垂直运动稳定性：BRS的合理布局使机器人能在俯仰角±90°下稳定下潜/上浮（图9）；
- 滑翔-上浮模式切换：验证多模态兼容性（图10）。
— ## 主要研究结果
1. 姿态调节性能
- 俯仰/横滚范围：实测±90°，超越同类平台（如Petrel-X-plus的±90°俯仰但转向半径仍达数十米）；
- 航向调整效率：原位调整148°（仿真140°），耗时125秒，无需外部驱动。
2. 动态行为一致性
- 水平-垂直转换仿真误差：俯仰角°，横滚角在复杂耦合区段偏差显著（图7a 120-150秒），源于流体力矩估算精度限制；
- 航向调整预测误差仅8°，验证改进流体模型的有效性。
3. 多模态稳定性
- BRS的轴向重心调节可快速恢复垂直姿态（图9b 90-130秒，从θ≈60°恢复至88°）；
- 滑翔-上浮切换中，深度传感器（z-sen）与CG计算值（z-bc）的一致性证实运动控制可靠性。
— ## 研究价值与创新点
### 科学意义
- 多模态动力学统一建模：首次将Argo、UG、AUV的运动学纳入同一框架（式5-6），为复杂海洋机器人设计提供理论工具；
- 瞬态行为解析：通过旋转阻尼项和零速流体力学扩展，填补传统模型对悬停态描述的空白。
### 应用前景
- 狭窄空间作业：极地冰隙、近岸水域等场景的快速避障与观测；
- 集群协同观测：通过多机协同提升Argo计划的时空分辨率。
### 技术亮点
1. 机械设计创新：MM的平移-旋转复合动作最大化利用有限空间，突破传统UG的航向调节限制；
2. 控制序列优化：通过交换执行器操作顺序（图4步骤3-4）实现“翻滚”式航向调整；
3. 低成本高兼容性：主体结构与经典UG兼容，无需额外推进器，能耗经济性优于AUV方案。
— ## 总结
SWIFT通过精巧的机械设计、创新的控制策略和精确的动力学建模，实现了水下机器人姿态调节能力的突破。其多模态兼容性为海洋立体观测提供了新工具，而敏捷的原地转向特性则拓展了复杂环境下的应用潜力。未来可通过CFD仿真进一步优化流体参数估计精度，并探索集群协同控制算法。这一研究标志着海洋机器人从单一功能向自适应多任务平台的重大跨越。