1. 课程导入与AUV任务全景
自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）执行一次典型任务时，操作人员通常只给出少量"意图级"指令，例如"从投放点下潜，依次经过A、B、C三个航路点，在C点附近定深巡航20分钟，然后上浮回收"。从这句指令到推进器真正转动、舵面真正偏转，中间要跨越任务规划、航路点管理、制导律、航迹控制、执行机构分配等多个环节。本课程要建立的，正是这条从"任务定义"到"控制实现"的完整认知链条。
一、AUV航路点任务的基本流程
航路点任务是AUV最基础也最常用的任务形式。它的本质是：把一条期望的空间路径离散成若干有序的几何点，再让航行器按顺序"经过"这些点。一个完整的航路点任务通常包含以下环节：
- 任务定义：给定航路点序列，每个点包含三维位置（经度、纬度或局部北东坐标，以及深度）、期望航速、到点判定半径、可选的停留时间或动作（如定深、拍照、上浮）。
- 任务规划：检查航路点之间的连线是否穿越障碍、是否超出续航与深度包络，必要时插入过渡点，形成可执行的航路线。
- 制导：根据当前位置与当前目标航路点，实时计算期望航向与期望航迹，常用视线法（Line-of-Sight，LOS）或纯追踪法（Pure Pursuit）。
- 航迹控制：把期望航向、期望深度、期望航速转化为舵角、推进器转速等控制量，抑制海流、惯性与模型不确定性带来的偏差。
- 到点判定与切换：当航行器进入当前航路点的判定半径（例如5 m）时，切换到下一个航路点，直至任务结束或触发上浮。
这五个环节中，任务定义与规划决定了"要去哪"，制导决定了"朝哪走"，而航迹控制决定了"能不能稳稳地走在期望线上"。前者偏重任务层，后者偏重控制层，二者通过"期望航向/期望深度/期望航速"这一组接口量衔接。
二、航迹控制为什么处于核心地位
很多初学者会认为，只要航路点给得对，AUV自然就能到达。实际并非如此。水下环境有三个突出特点：一是GPS不可用，位置只能依靠惯性导航加多普勒计程仪（DVL）推算，误差随时间累积；二是海流扰动持续存在，几节的海流就足以让航行器偏离航线数十米；三是欠驱动特性，多数AUV只有艉部一个主推和有限的舵面，无法像多旋翼那样任意方向直接修正。
因此，航迹控制不是"锦上添花"，而是决定任务成败的关键。控制效果差，表现为航迹呈明显"S"形摆动、到点超时、深度振荡，甚至因偏差过大触发安全上浮。控制效果好，则表现为航迹平滑贴合期望航线、横向偏差稳定收敛、到点切换干脆。后续课程中的LOS制导、PID与反步控制、前视距离整定、海流补偿等内容，都是围绕这一核心展开的。
三、从任务到控制的整体框架
下图给出了本节要建立的整体认知框架：左侧是任务层，右侧是控制层，中间通过期望量接口衔接，底部是状态反馈回路。
理解这张图的关键在于两点。第一，接口量是解耦点：任务层不需要关心舵怎么打，控制层也不需要关心航路点从哪来，双方只通过"期望航向、期望深度、期望航速"交互。第二，反馈是闭环的灵魂：没有INS与DVL提供的实时状态，控制器就是"盲开"，再好的算法也无法收敛。
四、一个可对照的示例任务
为了让抽象框架落地，这里给出一个教学示例（参数为合理假设，非实测数据）：某小型AUV在局部北东坐标系下执行三点任务，起点为原点，航路点依次为 P1(100, 0, 10)、P2(100, 80, 10)、P3(0, 80, 15)，单位米，第三维为深度。期望航速1.2 m/s，到点判定半径5 m，海流沿东向约0.3 m/s。
按上述框架推演：任务层把三个点排成序列，规划阶段确认三段航线无遮挡、总航程约 100+80+100≈280 m，按1.2 m/s约需4分钟，满足续航；控制层在第一段以LOS制导计算期望航向，因东向海流会把航行器往东推，控制器需持续给出一个小的西向修正舵角，才能让横向偏差收敛到零附近。若观察航迹发现第一段呈持续东偏的弧线，说明海流补偿不足；若航迹在航路点附近来回摆动，则多半是前视距离过小或到点半径设置不当。这些"看航迹、判原因"的能力，正是本课程要训练的重点。
五、课程目标与学习路径
本课程共30节，整体按"认知—建模—制导—控制—调试—综合"的路径推进，学习目标可归纳为三条：
- 建立框架：能说清航路点任务各环节的输入输出与衔接关系，知道问题出在任务层还是控制层。
- 掌握方法：能独立完成LOS制导律的参数计算、航向与深度控制器的设计与整定，理解前视距离、积分限幅、海流观测器等关键参数的作用。
- 具备调试能力：能根据航迹曲线、深度曲线、舵角曲线的形态，判断偏差来源并提出调整方案。