Innovation-driven disturbance rejection enhancement for robust AUV path tracking（面向自主水下机器人鲁棒路径跟踪的新息驱动抗扰增强方法）

自主水下机器人（AUV）路径跟踪中，未知外部扰动与水动力不确定性是实现高精度控制的核心阻碍，传统控制方法存在抗扰与状态观测耦合、宽频扰动抑制能力不足等问题。南开大学联合斯洛伐克技术大学团队提出一种偏差补偿抗扰（DCDR）控制框架，融合位置误差与AUV动力学设计制导律，通过引入独立可调增益解耦抗扰与状态观测器动力学，实现标称控制与鲁棒增强的分离设计。仿真表明：在波致扰动下的直线路径与圆路径跟踪场景中，该方法相较传统线性自抗扰控制（LADRC）等方案，跟踪精度显著提升、控制量损耗有效降低，为水下探测、环境监测等AUV实际应用提供了新的控制方案。

Innovation-driven disturbance rejection enhancement for robust AUV path tracking面向自主水下机器人鲁棒路径跟踪的新息驱动抗扰增强方法

作者：Wanping Song1, Mingwei Sun1, Zengqiang Chen1 2, Qinglin Sun1, Mikulas Huba3, Pavol Bistak3

机构：1 南开大学人工智能学院；2 天津市智能机器人重点实验室；3 斯洛伐克布拉迪斯拉发技术大学电气工程与信息技术学院汽车机电一体化研究所

引用：Song, W., Sun, M., Chen, Z. et al. Innovation-driven disturbance rejection enhancement for robust AUV path tracking. Control Theory Technol. (2026). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00316-z

全文链接：https://rdcu.be/e7hd0

摘 要  

未知外部扰动和水动力不确定性对自主水下机器人（AUV）的高精度路径跟踪构成重大挑战。为解决该问题，本文融合位置误差与AUV动力学特性，提出一种保证轨迹收敛的制导律；通过引入独立可调增益设计偏差补偿抗扰（DCDR）控制器，实现抗扰环节与状态观测器动力学的解耦，从而完成标称控制与鲁棒增强的分离设计和协同调控。本文推导了基于传递函数的DCDR实现方式，给出系统化的参数整定准则，并通过不变集分析证明了闭环系统的稳定性。在有无波致外部扰动的情况下，开展直线路径和圆路径跟踪仿真验证了所提方法的有效性。相较于线性自抗扰控制（LADRC）和补偿函数观测器基控制器（CFO-C），所提DCDR控制器在保持清晰控制结构的前提下，实现了更优的跟踪性能，同时降低了控制量损耗。

引 言  

自主水下机器人（AUV）已被广泛应用于水下勘探、环境监测和资源勘查等领域，动力定位与路径跟踪控制是其作业的核心技术，要求对位置和航向进行精确调节。现有研究中广泛使用的视线（LOS）制导律仅基于AUV运动学计算期望航向角，未考虑内环动力学，难以应对波致宽频外部扰动与水动力非线性耦合带来的建模误差问题。    

为提升AUV姿态稳定性，学界提出了基于模型的非线性控制、考虑时变扰动的鲁棒控制等多种方法，其中无模型抗扰方法因无需精确数学建模成为研究热点。线性自抗扰控制（LADRC）将所有不确定动力学归为总扰动并通过线性扩张状态观测器（LESO）估计补偿，但其仅对恒值扰动能实现零稳态误差，且传统观测器基控制的抗扰能力与观测器动力学固有耦合，补偿效果严重依赖观测器精度。受内模控制框架启发，二自由度控制架构被提出以实现标称与鲁棒控制器的独立设计，为宽频扰动抑制提供了新思路。     

综合上述问题，AUV路径跟踪亟需一种融合轨迹收敛制导律、具备宽频抗扰能力的无模型鲁棒控制框架。为此，本文提出偏差补偿抗扰（DCDR）控制方法，通过重构新息项和引入独立可调补偿增益，解耦抗扰环与状态观测环，突破LADRC抗扰性能受观测器动力学限制的瓶颈。本文的核心贡献如下：    

（1）提出融合位置误差与AUV动力学需求的制导律，从设计层面保证了AUV的轨迹收敛性，为后续控制器设计奠定基础。    

（2）引入带系统化频域整定准则的独立可调增益，实现了抗扰性能与状态观测器动力学的解耦灵活调控，填补了传统方法宽频抗扰的短板。    

（3）所提DCDR控制器在波致扰动下提升了路径跟踪精度并降低了控制量损耗，且保持了与LADRC相同的测量需求和实现简洁性，无需额外的系统先验知识。

结 论  

本文针对波致未知扰动下AUV路径跟踪性能提升问题，提出了一种偏差补偿抗扰（DCDR）控制框架。该方法以LADRC架构为基础，通过重构新息项和引入独立可调补偿增益，实现了抗扰环节与状态观测环节的解耦。研究证实，融合位置误差与AUV动力学的制导律可有效保证轨迹收敛，而带频域整定准则的独立可调增益，让控制器获得了优于LADRC的宽频抗扰能力。仿真结果表明，DCDR控制器在提升跟踪精度的同时降低了控制量损耗，且相比CFO-C无需额外的系统知识，实现了性能与实用性的兼顾。本研究目前仅通过数值仿真验证，且对比方法范围有限，未来的研究工作将进一步探讨DCDR控制器在抗扰性能与能量效率之间的权衡关系，并通过实验研究和更广泛的基准方法对比，验证该方法在实际AUV系统中的有效性。

作者介绍

Wanping Song，于2019年获得南京农业大学理学学士学位，目前正在南开大学人工智能学院攻读博士学位，主要研究方向为自抗扰控制与强化学习。

Mingwei Sun，于2000年获得南开大学控制理论与控制工程博士学位，2009年加入南开大学人工智能学院，现任教授，主要研究方向为预测控制、自抗扰控制以及飞行器制导与控制。

Zengqiang Chen，于1990年获得南开大学控制理论与控制工程专业硕士学位，1997年获得该校同专业博士学位，1990年入职南开大学人工智能学院，现任教授，主要研究方向为智能预测控制、自抗扰控制、多智能体系统与复杂网络。

Qinglin Sun，于1990年获得天津大学硕士学位，2003年获得南开大学控制理论与控制工程专业博士学位，1998年加入南开大学人工智能学院，现任教授，主要研究方向为自适应控制、自抗扰控制、柔性飞行器建模与控制。

Mikulas Huba，分别于1974年和1982年获得技术控制论硕士和博士学位，现任斯洛伐克布拉迪斯拉发技术大学电气工程与信息技术学院教授，研究方向涵盖约束控制、非线性控制，近年还致力于人工智能方法在自动控制中的应用研究。

Pavol Bistak，分别于1988年和2013年获得技术控制论硕士、自动化与控制博士学位，1992年起任职于斯洛伐克布拉迪斯拉发技术大学电气工程与信息技术学院，主要研究方向为非线性控制系统、PID控制器设计、机电系统与物联网技术。

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期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2025年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

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