3. 浮力与配平基本概念

AUV 能否稳定悬停、平稳定深、按预期姿态航行，本质上取决于它所受的浮力与重力之间的平衡关系，以及这些力作用点之间的相对位置。本节把浮力、重力、中性浮力、剩余浮力、纵倾与横滚这几个概念串起来，并说明它们如何直接映射到姿态控制上。理解这条链条，是后续做配重计算、压载调节和姿态调试的前提。

一、浮力与重力：一对方向相反、作用点不同的力

按阿基米德原理，浸没在流体中的物体受到的浮力等于其排开流体的重量：

F_b = ρ · g · V
其中：ρ 为海水密度（约 1025 kg/m³），g 取 9.81 m/s²，V 为排水体积（m³）

重力则是 AUV 自身质量与重力加速度的乘积 G = m · g。两者方向相反，但关键在于作用点不同：浮力作用在浮心 B（排水体积的形心），重力作用在重心 G（质量分布的质心）。对 AUV 而言，浮心与重心通常不在同一点，这一偏移量正是产生恢复力矩、决定姿态稳定性的根源。

这里先约定全文的符号与坐标参照：以 AUV 艇体坐标系为准，x 轴指向艇首，y 轴指向右舷，z 轴指向下方；绕 x 轴的转动为横滚（roll），绕 y 轴的转动为纵倾（pitch）。重心位于浮心下方记为 G 在 B 之下，是常见的稳定设计取向。

二、中性浮力与剩余浮力

中性浮力指浮力与重力大小相等（F_b = G），AUV 在垂向上合力为零，可以在任意深度悬停而不需要持续推力。工程上很少追求绝对中性，而是追求“接近中性且可控”。定义剩余浮力为：

F_res = F_b − G
F_res > 0：正浮力，AUV 有上浮趋势
F_res < 0：负浮力，AUV 有下沉趋势
F_res = 0：中性浮力

剩余浮力的大小直接决定垂向控制策略。若剩余浮力为 +2 N（约等效 0.2 kg 海水），AUV 静止时会缓慢上浮，垂向推进器必须持续向下出力才能定深，既耗能又易引起深度振荡；反之负浮力则需持续上推。因此配平的第一目标是把剩余浮力压到接近零的小范围内，例如控制在 ±0.5 N 以内，再由垂推做精细补偿。

三、纵倾与横滚：力矩而非力的问题

剩余浮力解决的是“上下”问题，纵倾与横滚解决的是“转不转”的问题。当浮心与重心在 x 方向存在偏移 Δx 时，浮力与重力形成力偶，产生纵倾力矩 M_pitch ≈ F_b · Δx（小角度近似）；同理，y 方向偏移 Δy 产生横滚力矩 M_roll ≈ F_b · Δy。若重心在浮心之下（z 方向偏移 Δz），则形成恢复力矩，使 AUV 在受扰后倾向于回到水平姿态，这就是被动姿态稳定的来源。

实际配平中常见两类问题：一是纵倾——艇首偏重导致航行时“低头”，或尾部电池组偏重导致“抬头”，表现为定深时纵倾角持续不为零；二是横滚——左右负载不对称（如一侧挂载传感器、推进器布局偏置）导致艇体倾斜。二者都会改变推进器推力方向与阻力分布，进而影响航向保持与能耗。

四、从概念到姿态控制：配平的实际做法

把上述概念落到操作上，配平通常分两步走。第一步是垂向配平：通过增减压载（如铅块、可调压载舱注排水）使剩余浮力接近零。以一台排水体积约 0.02 m³ 的小型 AUV 为例，若实测静止时以约 0.05 m/s 上浮，可估算剩余浮力约为 F_res ≈ 阻力 量级，需增加约 0.2 kg 压载来抵消；具体数值应以静水释放试验反复微调，而非一次算准。

第二步是姿态配平：调整压载在艇内的前后、左右位置，使重心在 x、y 方向尽量与浮心对齐，同时保持 G 略低于 B 以获得恢复力矩。判断依据很直接——在无推进输出时观察纵倾角与横滚角是否稳定在零附近；若纵倾角持续为 +3°，说明艇首偏轻或尾部偏重，应把部分压载前移。姿态传感器（IMU）的 roll/pitch 读数就是配平的“仪表盘”。

最后要强调，浮力与配平是姿态控制的“底层约束”。控制器再精细，若剩余浮力偏大、重心偏移明显，垂推和姿态推进器就只能长期对抗一个恒定的偏置力或力矩，表现为定深漂移、航向耦合和能耗上升。反过来，把剩余浮力压到接近零、让 G 稳定处于 B 之下，姿态控制器只需处理动态扰动，控制品质和续航都会明显改善。这也是本课程把配平放在能源续航之前讲的原因——配平做对了，续航才有讨论的基础。