[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于Dubins曲線(xiàn)的欠驅(qū)動(dòng)AUV路徑規(guī)劃方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110989444.2
• 申請(qǐng)日: 2021-08-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113467489A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉偉;蔣曉剛;蔡華春;孫業(yè)林;朱家梁;董連圓;沈文斌
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/06
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/06
• 代理公司: 西安合創(chuàng)非凡知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61248
• 代理人: 馬英

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Dubins曲線(xiàn)的欠驅(qū)動(dòng)AUV路徑規(guī)劃方法，包括Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算，具體為：PZN型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法；NZP型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法；NZN型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法；PZP型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)化了四種類(lèi)型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算。通過(guò)將起點(diǎn)相對(duì)于終點(diǎn)的位姿在四個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)Dubins曲線(xiàn)的類(lèi)型進(jìn)行了全面的分析，解決了Dubins曲線(xiàn)類(lèi)型的選擇判斷問(wèn)題。該方法有效的減小了Dubins曲線(xiàn)參數(shù)的計(jì)算量。該方法也可以應(yīng)用于到其它無(wú)人機(jī)械的路徑規(guī)劃，例如無(wú)人陸地車(chē)輛和無(wú)人機(jī)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自主水下運(yùn)載器，具體涉及一種基于Dubins曲線(xiàn)的欠驅(qū)動(dòng)AUV路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

目前，因?yàn)樽灾魉逻\(yùn)載器（AUV）具有不需要載人、無(wú)遙控電纜、機(jī)動(dòng)性好、活動(dòng)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，所以在海洋開(kāi)發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。AUV能夠完成水下打撈與情報(bào)收集、海洋科學(xué)研究、水下管道與結(jié)構(gòu)物檢查、水下武器對(duì)抗與反潛等任務(wù)。隨著AUV的發(fā)展及數(shù)量的增多，AUV家族里面出現(xiàn)了一類(lèi)特殊的成員，稱(chēng)為欠驅(qū)動(dòng)AUV，欠驅(qū)動(dòng)AUV用較少的控制輸入實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的控制。AUV設(shè)計(jì)為欠驅(qū)動(dòng)的形式可以減少控制設(shè)備、提高其機(jī)械的可靠性、降低其制造成本和減輕重量。AUV在水下執(zhí)行任務(wù)之前必須對(duì)其路徑進(jìn)行規(guī)劃。目前常用的路徑規(guī)劃方法是先確定AUV經(jīng)過(guò)的關(guān)鍵路徑點(diǎn)，然后將每?jī)蓚€(gè)相鄰路徑點(diǎn)用直線(xiàn)進(jìn)行連接，如圖1中的折線(xiàn)（綠色）路徑。當(dāng)只有兩個(gè)路徑點(diǎn)（起點(diǎn)和終點(diǎn)）時(shí)，則簡(jiǎn)化為AUV的鎮(zhèn)定控制問(wèn)題，即控制AUV從任意的初始位姿穩(wěn)定到最終的期望位姿。AUV的鎮(zhèn)定控制常用于其對(duì)接或回收時(shí)的過(guò)程控制。雖然用直線(xiàn)連接路徑點(diǎn)進(jìn)行路徑規(guī)劃方法簡(jiǎn)單，但存在路徑不光滑的缺點(diǎn)。在路徑點(diǎn)附近由當(dāng)前路徑段切換為下一個(gè)路徑段時(shí)，控制信號(hào)（舵角）會(huì)出現(xiàn)大幅的抖振現(xiàn)象，這不僅會(huì)增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能耗而且不利于控制的穩(wěn)定性。如果路徑是光滑連續(xù)的，例如圖1中的曲線(xiàn)（紅色）路徑，則路徑不僅更便于被跟蹤而且控制信號(hào)也會(huì)更平穩(wěn)，從而更有利于節(jié)能。為了得到光滑的路徑，目前常用的一種方法是在路徑點(diǎn)處用圓弧或Bessel曲線(xiàn)進(jìn)行過(guò)渡（類(lèi)似于倒圓角），但這樣處理會(huì)使路徑無(wú)法通過(guò)規(guī)定的路徑點(diǎn)。另一種常用方法是采用樣條曲線(xiàn)插值技術(shù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，但該方法存在計(jì)算量大的缺點(diǎn)。另外，通常欠驅(qū)動(dòng)AUV由于沒(méi)有配置側(cè)向和垂向推進(jìn)器，存在最小回轉(zhuǎn)半徑的約束。采用樣條曲線(xiàn)插值技術(shù)規(guī)劃的路徑往往由于局部曲率過(guò)大而無(wú)法被欠驅(qū)動(dòng)AUV有效的跟蹤。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于Dubins曲線(xiàn)的欠驅(qū)動(dòng)AUV路徑規(guī)劃方法，通過(guò)簡(jiǎn)化Dubins曲線(xiàn)的類(lèi)型選擇和參數(shù)計(jì)算，解決了欠驅(qū)動(dòng)AUV光滑路徑的規(guī)劃問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于Dubins曲線(xiàn)的欠驅(qū)動(dòng)AUV路徑規(guī)劃方法，包括Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算，具體為：PZN型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法；NZP型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法；NZN型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法；PZP型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法。

進(jìn)一步地，所述PZN型Dubins曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算方法包括：首先將終點(diǎn)T看作局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，按式（1）進(jìn)行坐標(biāo)變換：

（1）