水下机器人路径规划与路径跟踪方法研究

摘要

海洋蕴含着丰富的海洋生物资源、矿物资源和能源，它是人类可持续发展的重要财富，研究和合理利用海洋，对于人类的经济和社会发展具有重要的意义。水下机器人，尤其是无人水下机器人的出现为人类探索海洋提供了强有力的工具。随着水下机器人朝着自主化、智能化、远程化方向发展，人们对其智能控制和自主导航技术的需求越来越高。路径规划和路径跟踪相关技术是水下机器人导航控制系统的重要部分，是机器人能否精确、安全和完整的完成水下作业任务的关键环节。 首先，本文详细阐述了水下机器人的研究背景和意义，分析了水下机器人的国内外研究现状、应用研究以及技术发展趋势。对于路径规划和路径跟踪两个问题，分别分析了其各种理论方法的特点。对水下机器人进行数学建模，并且利用栅格法分别建立二维和三维大尺度海洋障碍物环境模型，设计了路径生成规则，为研究路径规划和路径跟踪奠定基础。 其次，针对自主式水下机器人海底地形环境中避障最优路径问题，提出了一种适用于全局路径规划的改进蚁群算法。该算法克服了传统算法收敛速度慢，容易陷入局部最优的缺点，并且启发函数的设计更加贴近实际。重点研究了大尺度三维海底环境的避障规划问题，不同于常规的单目标规划问题，为了获得最短路径的同时降低路径的消耗，文中将路径的长度和路径的光滑度同时作为评价函数。在多种海底地形环境下仿真表明该算法有效减小了路径的长度，同时路径更加平滑。 最后，基于路径规划问题生成的工作点，研究了路径跟踪问题。以欠驱动AUV的运动模型为例，采用了横向跟踪误差方法和LOS方法分别设计了二维直线和点跟踪控制器；重点研究了三维环境下直线航迹跟踪控制问题，根据级联方法，提出一种欠驱动自主水下航行器的三维直线跟踪控制算法，将三维直线跟踪误差模型分解为水平面运动受垂直面运动扰动的级联结构，分别设计了俯仰角、航向角指令以及俯仰力矩、艏摇力矩控制律。仿真证明了在较大初始位姿以及速度偏差情况下良好的跟踪效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外水下机器人研究现状

1.3 水下机器人路径规划与跟踪研究现状

1.4 本文主要工作

第2章 路径规划和路径跟踪理论和方法

2.1 路径规划概述

2.2 环境建模

2.2.1 建模方法研究

2.2.2 二维环境模型

2.2.3 三维地图模型

2.2.4 路径生成规则

2.3 路径跟踪概述

2.4 水下机器人建模

2.4.1 坐标系变换

2.4.2 运动学建模

2.4.3 动力学建模

2.5 本章小结

第3章 基于改进蚁群算法的AUV全局路径规划

3.1 蚁群算法基础

3.1.1 蚁群算法原理

3.1.2 解决TSP问题模型

3.1.3 TSP问题求解

3.1.4 蚁群算法相关改进

3.2 改进蚁群算法在AUV全局路径规划中应用

3.2.1 AUV全局路径规划概述

3.2.2 启发函数设计

3.2.3 信息素更新规则设计

3.2.4 适应度函数设计

3.2.5 算法流程

3.3 算法仿真分析

3.3.1 二维路径规划仿真

3.3.2 三维路径规划仿真

3.4 本章小结

第4章 欠驱动AUV路径跟踪控制

4.1 引言

4.2 水平面直线航迹跟踪控制

4.2.1 问题描述

4.2.2 控制器设计

4.2.3 仿真分析

4.3 基于LOS方法的水平面航路点跟踪控制

4.3.1 问题描述

4.3.2 控制器设计

4.3.3 仿真分析

4.4 欠驱动AUV3维空间直线航迹跟踪控制

4.4.1 问题描述

4.4.2 空间运动分解

4.4.3 控制器设计

4.4.4 仿真分析

4.5 本章小结

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢