自主式水下机器人的路径规划与路径跟踪方法

摘要

自主式水下机器人(AUV)作为重要的水下探测设备，对它的研究不仅有重要的经济意义，在军事领域也有迫切需要。随着经济的不断发展，人们对机器人性能的要求越来越高，机器人需要具备在运动过程中根据周围环境的变化自主采取相应措施的能力。对于智能水下机器人来讲，路径规划与路径跟踪问题一直以来都是研究的热点之一，它是指在有障碍物存在和其他限制的条件下水下机器人能够自主寻找一条从起始位置到目标位置的无碰最短路径，并能够实现对该路径的跟踪控制。本文主要结合“国家863项目”的研究需要，围绕移动机器人自主航行研究中的两项关键技术－－路径规划与路径跟踪进行了系统研究，为该项目的顺利完成做出了贡献。 本文首先介绍了AUV的国内外研究现状、应用前景、发展趋势及本课题来源、研究意义等，接着研究了水下机器人的动力学方程和运动学模型，理解水下机器人的动力学模型对路径规划策略及跟踪方法的制定也是必要的。然后讨论了解决全局路径规划和局部路径规划的各种方法及特点，包括几何法、人工势场法、遗传算法等。本文主要讨论了采用基于栅格类环境描述的快速步进算法(FMM)进行海洋环境下的路径规划，该方法为AUV在海洋环境中进行全局路径规划提供了可行性方案，详细讨论了该路径规划算法的原理及其具体实现过程，并进行了编程仿真。仿真结果表明：FMM路径规划算法具有执行简单、收敛速度快、效率高等特点，可满足系统实时性的要求。在路径规划的基础上，本文进一步讨论了AUV路径跟踪控制及其实现。根据AUV的运动学模型及动力学模型，利用基于PID控制器的AUV轨迹跟踪技术，在Simulink仿真环境中分别对直线路径、圆形路径及任意复杂路径进行了跟踪，并考虑了不同海流情况下的轨迹跟踪效果。仿真结果证明该算法具有快速、精确、全局稳定的良好特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2 AUV的国内外研究现状、应用前景及发展趋势

1.2.1水下机器人的国内外研究现状

1.2.2 AUV的应用前景

1.2.3 AUV的发展趋势

1.3本科题的研究背景及意义

1.4本论文的主要工作

2水下机器人路径规划与路径跟踪技术

2.1路径规划概述

2.1.1路径规划的定义

2.1.2路径规划问题的分类

2.1.3路径规划的实现

2.2路径规划方法

2.2.1位姿空间法

2.2.2可视图法

2.2.3图搜索法

2.2.4人工势场法

2.2.5模糊逻辑方法

2.2.6人工神经网络算法

2.3路径规划方法的新发展

2.4路径跟踪控制研究

2.5本章小结

3水下机器人的动态控制及仿真

3.1研究对象概述

3.2坐标系及坐标变换

3.2.1坐标系

3.2.2坐标变换

3.3水下机器人动力学方程

3.3.1水下机器人受力分析

3.3.2空间运动方程

3.4 AUV的简化仿真模型

3.5控制系统的设计及仿真

3.5.1 PID控制原理

3.5.2增量式PID控制

3.5.3 AUV仿真控制分析

3.6本章小结

4基于FMM算法的AUV路径规划

4.1引言

4.2算法概述

4.2.1栅格环境模型

4.2.2 FMM算法原理

4.3路径规划模型

4.3.1路径规划问题描述

4.3.2快速步进算法求解

4.4算法步骤

4.5三维FMM算法

4.5.1三维FMM算法

4.6仿真结果

4.7本章小结

5基于PID控制器的AUV路径跟踪

5.1跟踪思想

5.1.1旋转规划

5.1.2平移规划

5.2运动轨迹产生

5.3仿真模型

5.4仿真结果

5.5本章小结

6总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的论文