自主水下航行器回坞路径规划与跟踪控制 (2012年)

回坞是指自主水下航行器(AUV)完成任务后返回水下支持平台的过程，是实现AUV自主回收的关键步骤。本文中提出一种基于路径跟踪的AUV回坞控制算法。考虑AUV的机动能力，采用Dubins曲线规划一条连接AUV初始点和回收点的回坞路径，由两段半径为AUV最小转弯半径的圆弧和一段直线构成，在起点、终点处分别与AUV初始航向和回收器入口方向相切。设计 AUV非线性全局路径跟踪控制，建立以沿路径运动的参考点为原点的Serret-Frenet坐标系，描述路径跟踪误差并建立误差的动态模型，从而克服传统方法的奇异性问题， ### 自主水下航行器回坞路径规划与跟踪控制 #### 概述 自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）作为一种重要的水下作业工具，在军事侦察、科学考察、海洋环境监测等领域发挥着重要作用。其中，回坞（即AUV完成任务后返回水下支持平台的过程）是实现AUV自主回收的关键步骤之一。本文介绍了一种基于路径跟踪的AUV回坞控制算法，该算法考虑了AUV的机动能力，并采用了Dubins曲线来规划一条高效的回坞路径。 #### 回坞路径规划 **Dubins曲线**是一种特殊的曲线，可以用来描述车辆（如AUV）在有限转弯半径约束下的最优路径。在本文中，Dubins曲线被用于规划连接AUV初始位置和回收点之间的路径。这条路径由两段半径等于AUV最小转弯半径的圆弧和一段直线组成，并且这两段圆弧分别与AUV的初始航向和回收器入口方向相切。通过这种方式，不仅可以确保AUV顺利进入回收器，还能够充分利用其机动性能，提高路径规划的效率。 #### 路径跟踪控制 为了实现AUV对回坞路径的精确跟踪，研究人员设计了一种非线性的全局路径跟踪控制系统。通过建立以沿路径运动的参考点为原点的Serret-Frenet坐标系来描述路径跟踪误差，并建立了误差的动态模型。这种方法克服了传统方法中存在的奇异性问题，使得AUV能够在任何情况下都能保持稳定的路径跟踪。 在控制策略上，研究人员将航向角作为路径跟踪误差的控制输入，并设计了航向角指令和路径参数的变化率，以确保路径跟踪误差能够达到全局渐近稳定。这样做的目的是让AUV能够自动调整航向，以便更准确地跟随预定的回坞路径。 #### 动态模型分析 在Serret-Frenet坐标系下，路径跟踪误差可以表示为横向偏移误差、横向速度误差以及航向角误差等。通过构建这些误差的动态方程，研究人员能够更深入地理解路径跟踪过程中可能出现的问题，并针对性地设计控制器参数，确保AUV能够在复杂的水下环境中稳定、可靠地执行回坞操作。 #### 仿真验证 为了验证所提出的回坞控制算法的有效性，研究人员进行了大量的仿真试验。实验结果显示，该算法能够有效地控制AUV按照预设路径进行回坞操作，并且能够克服水下复杂环境带来的挑战，如水流扰动等。这表明，本文所提出的回坞控制算法具有很高的实用价值和可靠性。 本文提出的一种基于路径跟踪的AUV回坞控制算法不仅考虑了AUV的实际机动性能，还通过引入先进的控制理论和技术，有效解决了路径规划和跟踪控制中的关键问题。这对于推动AUV技术的发展，特别是在提高AUV的自主回收能力和水下作业效率方面具有重要意义。