[发明专利]一种基于回转圆的移动式对接轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种基于回转圆的移动式对接轨迹规划方法，本发明利用欠驱动AUV与对接装置的相对位置关系，基于回转圆半径与周期，估计对接所需时间并提前进行轨迹规划，本发明结合纯跟踪导引率和视线法导引率，完成回转运动使欠驱动AUV位于对接装置之后且运动同方向，使欠驱动AUV能快速地完成移动式对接回收任务。本发明计算简单，易于实现，且不依赖于精确的AUV模型，在不确定性外界环境干扰下具有较强的自适应性。

技术领域

本发明涉及一种基于回转圆的移动式对接轨迹规划方法，属于欠驱动水下机器人轨迹规划领域，水下潜器、水下潜艇、无人水面艇和水面船舶等水中航行装备都在本发明的应用范围内。

背景技术

AUV作为一种应用范围广泛、实用性高、前景广阔的海洋无人航行设备，在海洋开发、海洋科学、水下搜救、军事活动甚至是大众娱乐等方面都扮演着越来越重要的角色。AUV原则上可以在没有“母舰”的情况下进行远距离探测，其执行任务的时间受其自身条件的限制，包括能源存储容量、推进系统效率、艇体的流体动力特性、定位和导航精度等。而其中能源存储容量即电池容量是决定任务持续时间的关键因素，单纯增加电池数量或使用新类型电池会使成本急剧增加。除了能源消耗外，对于长航时任务，AUV仍需要定期上传在搜查作业中收集到的大量数据，并下载更新任务。在没有与母船连接的情况下，数据通信只能在水下使用低带宽声波通信，或者浮出水面使用高带宽电磁波通信。在涉及大量数据的情况下，这两种选择都不理想。另一种选择是AUV回到它的母舰上，通过有线连接恢复数据。考虑到能量存储和数据通信的限制，水下机器人需要由“母舰”定期回收和充电，这一过程需要人工操作且对它们的效率造成了很大的限制。因为AUV水下对接技术在AUV水下能量补充、数据交换、水下回收等方面具有重要的研究意义和实用价值，所以AUV水下对接技术为解决上述问题提供了可能，大量的水下对接理论研究和实验正在进行。按照对接装置的运动形式可分为固定式和移动式对接两类。固定式对接装置的位置不能改变，但为了减小海流对回收对接任务的影响，可能会为适应海流而在水平面内进行旋转，再协同靠近的AUV完成对接。其中，固定漏斗型对接站是最常用的对接站，它的位置不随海流移动，AUV可以更准确地测量其与固定对接站之间的距离；移动式对接装置一般是搭载在潜艇或牵连在水面船等处于运动状态的大型航行器上，会随母艇一起运动，相对于固定式对接来说移动式对接装置的位置需要由AUV实时测量得到并估计其运动信息，所以移动式对接对AUV的规划避障和跟踪控制能力提出了更高的要求。

综上，现有的自主水下对接技术主要是以固定式对接为主，存在灵活性低、成本过高的缺陷。《High-Level Fuzzy Logic Guidance System for an Unmanned SurfaceVehicle(USV)tasked to perform Autonomous Launch and Recovery(ALR)of anAutonomous Underwater Vehicle(AUV)》采用模糊逻辑控制器来控制AUV的艏向，对静态对接回收任务效果较好，但对于AUV与移动对接站相向运动的移动式对接任务存在控制效果滞后的情况；《Time and Energy Efficient Trajectory Generator for AutonomousUnderwater Vehicle Docking Operations》利用虚拟域逆动力学方法将对接任务的轨迹规划问题看成是非线性规划问题，需要依赖非线性规划求解器，求解时间较长，与求解器的选择、非线性约束条件的多少和初始值的选取都有关系，无法做到快速求解。为了实现低成本、高灵活性的移动式水下对接，一种针对欠驱动水下机器人的移动式对接回收的轨迹规划方法亟待提出。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于回转圆的移动式对接轨迹规划方法，利用回转圆的信息，结合纯跟踪导引率和视线法导引率，有效的解决了欠驱动AUV与移动式对接装置相向运动靠近时的轨迹规划问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于回转圆的移动式对接轨迹规划方法，包括以下步骤：