26、水下机器人与挖掘机器人技术解析

水下机器人与挖掘机器人技术解析

水下机器人（AUV）规划与控制

水下机器人（AUV）要实现自主工作，就需要能够到达静态或动态目标，或者沿着预设路径航行。为了达成这种自主性，导航系统需要与系统控制器紧密协作。导航系统会根据预设目标生成AUV的下一个期望位置，而控制系统则通过调整螺旋桨输出来帮助AUV到达目标位置。

1. 3D导航系统

   • 航点导航策略 ：航点导航是一种让AUV沿着经过特定点的预设路径航行的策略。这些特定点就是航点，它们是预先设定的静态点。连接这些航点的路径是由直线和节点处的弧线组合而成。视线（LOS）导航系统可用于跟踪这些路径。LOS是一种流行的导航系统，它采用了一种非常简单的策略，即限制AUV的运动靠近起点和目标之间的视线向量。
   • 期望方位角计算 ：期望方位角 $\psi_{desired}$ 通过公式 $\psi_{desired} = \tan^{-1}\left(\frac{y_k - y(t)}{x_k - x(t)}\right)$ 计算得出，其中 $(x_k, y_k)$ 是N个航点的xy坐标，$k = 1, 2, \ldots, N$，$(x(t), y(t))$ 是AUV在时间t的xy坐标。
   • 期望深度计算 ：垂荡运动与纵荡和横荡运动相互独立，但为了紧密跟踪视线向量，期望的Z方向深度应与AUV和目标之间的当前水平高度成比例。首先计算从起点 $(x,y,z)$ 到目标 $(x_p, y_p, z_p)$ 的直线与水平