[发明专利]一种基于Dubins曲线的欠驱动AUV路径规划方法

说明书

本发明公开了一种基于Dubins曲线的欠驱动AUV路径规划方法，包括Dubins曲线的参数计算，具体为：PZN型Dubins曲线的参数计算方法；NZP型Dubins曲线的参数计算方法；NZN型Dubins曲线的参数计算方法；PZP型Dubins曲线的参数计算方法。本发明的方法简化了四种类型Dubins曲线的参数计算。通过将起点相对于终点的位姿在四个象限内进行分类，对Dubins曲线的类型进行了全面的分析，解决了Dubins曲线类型的选择判断问题。该方法有效的减小了Dubins曲线参数的计算量。该方法也可以应用于到其它无人机械的路径规划，例如无人陆地车辆和无人机。

技术领域

本发明涉及自主水下运载器，具体涉及一种基于Dubins曲线的欠驱动AUV路径规划方法。

背景技术

目前，因为自主水下运载器（AUV）具有不需要载人、无遥控电缆、机动性好、活动范围大等优点，所以在海洋开发中应用越来越广泛。AUV能够完成水下打捞与情报收集、海洋科学研究、水下管道与结构物检查、水下武器对抗与反潜等任务。随着AUV的发展及数量的增多，AUV家族里面出现了一类特殊的成员，称为欠驱动AUV，欠驱动AUV用较少的控制输入实现其运动的控制。AUV设计为欠驱动的形式可以减少控制设备、提高其机械的可靠性、降低其制造成本和减轻重量。AUV在水下执行任务之前必须对其路径进行规划。目前常用的路径规划方法是先确定AUV经过的关键路径点，然后将每两个相邻路径点用直线进行连接，如图1中的折线（绿色）路径。当只有两个路径点（起点和终点）时，则简化为AUV的镇定控制问题，即控制AUV从任意的初始位姿稳定到最终的期望位姿。AUV的镇定控制常用于其对接或回收时的过程控制。虽然用直线连接路径点进行路径规划方法简单，但存在路径不光滑的缺点。在路径点附近由当前路径段切换为下一个路径段时，控制信号（舵角）会出现大幅的抖振现象，这不仅会增加执行机构的能耗而且不利于控制的稳定性。如果路径是光滑连续的，例如图1中的曲线（红色）路径，则路径不仅更便于被跟踪而且控制信号也会更平稳，从而更有利于节能。为了得到光滑的路径，目前常用的一种方法是在路径点处用圆弧或Bessel曲线进行过渡（类似于倒圆角），但这样处理会使路径无法通过规定的路径点。另一种常用方法是采用样条曲线插值技术进行路径规划，但该方法存在计算量大的缺点。另外，通常欠驱动AUV由于没有配置侧向和垂向推进器，存在最小回转半径的约束。采用样条曲线插值技术规划的路径往往由于局部曲率过大而无法被欠驱动AUV有效的跟踪。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于Dubins曲线的欠驱动AUV路径规划方法，通过简化Dubins曲线的类型选择和参数计算，解决了欠驱动AUV光滑路径的规划问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于Dubins曲线的欠驱动AUV路径规划方法，包括Dubins曲线的参数计算，具体为：PZN型Dubins曲线的参数计算方法；NZP型Dubins曲线的参数计算方法；NZN型Dubins曲线的参数计算方法；PZP型Dubins曲线的参数计算方法。

进一步地，所述PZN型Dubins曲线的参数计算方法包括：首先将终点T看作局部坐标系的原点，按式（1）进行坐标变换：

（1）