[论文]欠驱动水下机器人的平面轨迹规划与跟踪控制设计

[论文]欠驱动水下机器人的平面轨迹规划与跟踪控制设计

摘要

研究了欠驱动自主水下航行器在水平面上的轨迹规划与跟踪控制的组合问题。给定光滑的、惯性的二维参考轨迹，规划算法利用车辆动力学计算参考方向和机体固定速度。利用这些，得到了误差动态。这些是稳定使用后退技术，强迫跟踪误差到一个任意小的邻域零。给出了等速圆轨迹和时变速度正弦轨迹的仿真结果。同时考虑了参数的鲁棒性，结果表明跟踪仍然是令人满意的。

简介

近二十年来，人们对自主水下航行器(AUVs)的操作进行了大量研究，如图1所示。水下机器人在深海资源勘探开发中发挥着重要作用。它们被用于诸如海洋观测、水深测量、海底分析、军事应用、找回丢失的人造物体等危险任务(Yuh, 2000年)。除了它们众多的实际应用之外，水下机器人还存在一个具有挑战性的控制问题，因为它们中的大多数都是欠驱动的，也就是说，它们的驱动输入比自由度(DOF)要少，施加了不可积分的加速度约束。请注意，当在水平平面上移动时，水下机器人表现出类似于欠驱动水面船只的动态行为(Aguiar和Pascoal, 2002;Fossen, 1994)。水面舰艇和水下机器人的平面稳定化问题，即调整到某一特定方向的平面稳定化问题，已经被许多研究者所研究; 参见举例(Aguiar和Pascoal, 2002;Wichlund等人1995，Reyhanoglou, 1997;佩特森和埃格兰，1999年;Pettersen和Fossen, 2000年;Mazenc等，2002)。在这些工作中，证明了这些车辆不能由连续时不变反馈控制律渐近稳定。

轨迹跟踪要求设计控制律来引导车辆跟踪惯性参考轨迹，即指定时间规律的几何轨迹。现有的用于欠驱动船舶的跟踪控制器设计——水下机器人(auv)和水面船舶——遵循经典的方法，如