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自主式水下航行器路径规划及轨迹跟踪控制的研究
摘要:
水下航行器的路径规划和轨迹跟踪控制是水下机器人领域的重要研究方向。水下环境的复杂性和不确定性对水下航行器的路径规划和控制提出了挑战。本文将对水下航行器的路径规划和轨迹跟踪控制进行深入研究，并介绍了一种基于模型预测控制（MPC）算法的路径规划和轨迹跟踪控制方法。实验结果表明，所提出的方法能够有效地实现水下航行器的自主控制和导航。
关键词：水下航行器，路径规划，轨迹跟踪控制，模型预测控制
1.引言
水下航行器广泛应用于海洋资源勘测、海洋环境监测、海洋生物学研究等领域。在水下任务中，如何实现水下航行器的自主控制和导航是一个关键问题。路径规划和轨迹跟踪控制是实现水下航行器自主控制的重要技术。
2.相关工作
路径规划是水下航行器自主控制中最基本的问题之一。传统的方法包括基于图搜索的方法、模型预测控制（MPC）方法等。然而，由于水下环境的复杂性和不确定性，传统方法往往难以满足水下航行器的实时性和鲁棒性要求。
3.路径规划的问题描述
路径规划的目标是确定从起始点到目标点的最优路径。在水下环境中，路径规划问题的复杂性来自于以下几个方面：1)水下环境的三维空间特性；2)水流、海浪等外部环境的影响；3)水下航行器的动力学约束。
4.路径规划算法设计
为了解决水下路径规划问题，本文提出了一种基于模型预测控制（MPC）算法的路径规划方法。该方法通过建立水下航行器的动力学模型，并考虑水下环境的特性和约束，实现了路径规划的自主控制和导航。
5.轨迹跟踪控制的问题描述
轨迹跟踪控制的目标是使水下航行器按照预先设定的轨迹进行运动。在水下环境中，由于水流、海浪等外部环境的影响，水下航行器往往难以准确地跟踪指定的轨迹。
6.轨迹跟踪控制算法设计
为了提高水下航行器的轨迹跟踪精度，本文采用基于模型预测控制（MPC）算法的轨迹跟踪控制方法。该方法通过建立水下航行器的动力学模型，并考虑水下环境的特性和约束，实现了轨迹跟踪的自主控制和导航。
7.实验结果及分析
通过在水下环境中进行实验，验证了所提出方法的有效性和鲁棒性。实验结果表明，所提出方法能够有效地实现水下航行器的自主控制和导航。
8.结论
本文针对水下航行器的路径规划和轨迹跟踪控制问题进行了研究，提出了一种基于模型预测控制（MPC）算法的路径规划和轨迹跟踪控制方法。实验结果表明，所提出的方法能够有效地实现水下航行器的自主控制和导航。未来的工作可以进一步优化算法性能并应用于实际水下任务中。
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