Path planning and obstacle avoidance for auv: a review


 Modeling and analysis of AUV



Download 1,78 Mb.
Pdf ko'rish
bet3/24
Sana01.01.2022
Hajmi1,78 Mb.
#302313
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24
Bog'liq
OceanEngineering2021-cheng

2. Modeling and analysis of AUV

In this section, the kinematic and dynamic models of AUV control

are introduced, which put many constraints and steering characteristics



Ocean Engineering 235 (2021) 109355

3

C. Cheng et al.



Fig. 2.

Autonomous Underwater Vehicle.



Source:

Reproduced from

Vibhute

(

2018



).

on AUV. This makes it challenging to implement path planning methods

on AUV and different from other robot platforms on land or in the air.

The models are based on Fosson’s comprehensive work (

Fossen

,

2011



),

including general two dimensional and three dimensional kinematics

transformation and in-depth derivation of dynamics motion equations.

2.1. Kinematics

Kinematics is based on the geometric method to study the motion

of vehicles, without considering the influence of force and mass. To

describe the kinematic characteristics of AUV, we will apply the inertial

North-East-Down (NED) reference frame and the Body frame.

Fig. 2


describes AUV as a six degree of freedom (DOF) vehicle with two

rotational and translational velocity components in each dimension

(

Fossen


,

2011


). As shown in

Fig. 2


, the Body frame is attached to

the vehicle, and has its axes forward (surge), to starboard (sway) and

towards the keel (heave) (

Wiig


,

2019


). The translation velocities along

the


𝑋

,

𝑌

and

𝑍

directions are expressed as



𝑢

,

𝑣

and

𝑤

respectively,

and the rotation velocities are expressed as

𝑝

,

𝑞

and

𝑟

respectively. The

rotation angles of each axis are expressed as

𝜙

,

𝜃

and

𝜓

respectively,

and

𝐾

,

𝑀

and

𝑁

represent the moment in



𝑋

,

𝑌

and

𝑍

direction

respectively (

Vibhute


,

2018


).

The rotation matrix of 6-DOF AUV is composed of the basic rotation

matrix of

𝑋

,

𝑌

and

𝑍

axes. In the geometric analysis, the basic rotation

matrix of

𝑋

,

𝑌

and

𝑍

axes are:



𝑅

𝑥

(

𝜙

) =





1



0

0

0



𝑐𝑜𝑠

(

𝜙

)



𝑠𝑖𝑛



(

𝜙

)

0



𝑠𝑖𝑛

(

𝜙

)

𝑐𝑜𝑠

(

𝜙

)





(1)



𝑅

𝑦

(

𝜃

) =







𝑐𝑜𝑠

(

𝜃

)

0



𝑠𝑖𝑛

(

𝜃

)

0

1



0



𝑠𝑖𝑛

(

𝜃

)

0



𝑐𝑜𝑠

(

𝜃

)





(2)



𝑅

𝑧

(

𝜓

) =







𝑐𝑜𝑠

(

𝜓

)



𝑠𝑖𝑛

(

𝜓

)

0

𝑠𝑖𝑛



(

𝜓

)

𝑐𝑜𝑠

(

𝜓

)

0



0

0

1





(3)


Combining these principal rotations gives the rotation matrix

𝑅

as:


𝑅

=

𝑅



𝑧

(

𝜓

)

𝑅

𝑦

(

𝜃

)

𝑅

𝑥

(

𝜙

)

(4)


The relationship between the orientation and angular velocity is:

𝐽

=





1

𝑠𝑖𝑛

(

𝜙

)

𝑡𝑎𝑛

(

𝜃

)

𝑐𝑜𝑠

(

𝜙

)

𝑡𝑎𝑛

(

𝜃

)

0

𝑐𝑜𝑠



(

𝜙

)



𝑠𝑖𝑛

(

𝜙

)

0

𝑠𝑖𝑛



(

𝜙

)∕

𝑐𝑜𝑠

(

𝜃

)

𝑐𝑜𝑠

(

𝜙

)∕

𝑐𝑜𝑠

(

𝜃

)





(5)

Hence, the AUV kinematics in 6-DOF are:



̇𝜂

=

[



𝑅

0

3×3



ℎ𝑒𝑙𝑙𝑜𝑐ℎ𝑒𝑐𝑘𝑡ℎ𝑒𝑐𝑜𝑚𝑚𝑎𝑛𝑑

3×3


𝐽

]

𝜈

(6)

In the formula, the generalized velocity vector and position vector are



respectively represented by the following matrix:

𝜂

= [


𝑋, 𝑌 , 𝑍, 𝜙, 𝜃, 𝜓

]

T



(7)

2.2. Dynamics

Referring to the

Fossen

(

2011



) maneuvering model, the nonlinear

equation of the dynamic motion for AUV has the following general

form:

𝑀

(

̇𝜈

) +

𝐶

(

𝜈

)

𝜈

+

𝐷𝜈

+

g

(



𝜂

) =


𝐵𝑓 ,

(8)


where

𝑀

denotes the inertia matrix,



𝐶

contains Coriolis and centripetal

terms, and

𝐷

indicates the hydrodynamic damping matrix. Vector



𝑔

denotes a combination of gravity and buoyancy, vector



𝑓

is the control

input variable of AUV, which is transformed into the force and moment

of control motion by matrix B.

The control input vector is:

𝑓

= [


𝑇

𝑢

, 𝑇

𝑞

, 𝑇

𝑟

]

T



,

(9)


where,

𝑇

𝑢

is the thrust force produced by rotating the propeller,



𝑇

𝑞

is the


vertical motion control force generated by the left and right rudders,

𝑇

𝑟

is the horizontal motion control force generated by the upper and

lower rudders.

Assuming that the center of gravity (



𝑥

𝑔

, 𝑦

𝑔

, 𝑧

𝑔

) and buoyancy of AUV

are rigid bodies at one point, the 6-DOF translational and rotational

motions will be expressed as follows:



𝑚

[

̇𝑢



𝑣𝑟

+

𝑤𝑞



𝑥

𝑔

(

𝑞

2

+

𝑟



2

) +


𝑦

𝑔

(

𝑝𝑞



̇𝑟

) +


𝑧

𝑔

(

𝑝𝑟

+

̇𝑞

)] =


𝑋

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑚

[

̇𝑣



𝑤𝑝

+

𝑢𝑟



𝑦

𝑔

(

𝑟

2

+

𝑝



2

) +


𝑧

𝑔

(

𝑞𝑟

+

̇𝑝

) +


𝑥

𝑔

(

𝑞𝑝

+

̇𝑟

)] =


𝑌

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑚

[

̇



𝑤



𝑢𝑞

+

𝑣𝑝



𝑧



𝑔

(

𝑝

2

+

𝑞



2

) +


𝑥

𝑔

(

𝑟𝑞



̇𝑞

) +


𝑦

𝑔

(

𝑟𝑝

+

̇𝑝

)] =


𝑍

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝐼

𝑥

̇𝑝

+ (


𝐼

𝑧



𝐼



𝑦

)

𝑞𝑟

− (

̇𝑟

+

𝑝𝑞

)

𝐼

𝑥𝑧

+ (


𝑟

2



𝑞

2

)



𝐼

𝑦𝑧

+ (


𝑝𝑟



̇𝑞

)

𝐼

𝑥𝑦

+

𝑚

[

𝑦

𝑔

(

̇



𝑤



𝑢𝑞

+

𝑣𝑝

) −


𝑧

𝑔

(

̇𝑣



𝑤𝑝

+

𝑢𝑟

)] =

𝐾

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝐼

𝑦

̇𝑞

+ (


𝐼

𝑥



𝐼



𝑧

)

𝑟𝑝

− (

̇𝑝

+

𝑞𝑟

)

𝐼

𝑥𝑦

+ (


𝑝

2



𝑟

2

)



𝐼

𝑧𝑥

+ (


𝑞𝑝



̇𝑟

)

𝐼

𝑦𝑧

+

𝑚

[

𝑧

𝑔

(

̇𝑢



𝑣𝑟

+

𝑤𝑞

) −

𝑥

𝑔

(

̇



𝑤



𝑢𝑞

+

𝑣𝑝

)] =


𝑀

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝐼

𝑧

̇𝑟

+ (


𝐼

𝑦



𝐼



𝑥

)

𝑝𝑞

− (

̇𝑞

+

𝑟𝑝

)

𝐼

𝑦𝑧

+ (


𝑞

2



𝑝

2

)



𝐼

𝑥𝑦

+ (


𝑟𝑝



̇𝑝

)

𝐼

𝑧𝑥

+

𝑚

[

𝑥

𝑔

(

̇𝑣



𝑤𝑝

+

𝑢𝑟

) −

𝑦

𝑔

(

̇𝑢



𝑣𝑟

+

𝑤𝑞

)] =

𝑁

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

,

where


𝑚

is the mass of the vehicle,



𝐼

is the inertia in the specific axial

or transverse direction, and (

𝑋

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

, 𝑌

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

, 𝑍

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

) and (


𝐾

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

, 𝑀

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

, 𝑁

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

)

are the total external forces on each degree of freedom.



The above modeling of AUV put some unique constraints in its

motion control with path planning methods which makes it different

from other mobile robots. On the one hand, as a highly nonlinear

system, AUV is affected by the change of mass center, buoyancy center

and hydrodynamic coefficient (

Xiang et al.

,

2014


). On the other hand,

AUV has underactuated characteristics, and parts of its speed cannot

be directly controlled, but can only be generated when the propeller

and rudder angle are manipulated. For example, when AUV rotates,

part of the forward speed will be converted into swing speed, and the

heave motion is controlled in a similar way. In addition, the collected

sensory data will affect the performance of path planning methods for

AUV. General mobile robots use the electromagnetic wave generated

by laser sensor to navigate and avoid obstacles

Ye and Borenstein

(

2002


), and some of them use the camera (

Biswas and Veloso

,

2012


)

to obtain images directly to judge the position of obstacles. However,

because AUV works in the marine environment, and it detects the

surrounding obstacles according to the ultrasonic wave generated by




Ocean Engineering 235 (2021) 109355

4

C. Cheng et al.

sonar sensor (

Kimball and Rock

,

2008


). Data collected with sonar

sensors will be interfered by underwater sound waves, which will result

in inaccurate information and low-quality data received and largely

affect the accuracy of obstacle avoidance for AUV. In addition, AUV

path planning also needs to consider the influence of ocean currents.

Moreover, underwater tasks performed by AUVs usually need to follow

some specific path patterns. For example, when AUV completes some

unknown search and detection missions, there is usually an algorithm

to generate a coverage path in the task editor, which requires AUV to

bypass unforeseen obstacles when executing this path mode (

Bagnitckii

et al.


,

2017


). In some situation, multi-AUV also needs to follow a certain

formation mode to improve the efficiency of the mission (

Ding et al.

,

2014



).

Although these make it more challenging to implement general path

planning methods for AUV compared to other mobile robots, many re-

searchers have proposed effective path planning methods to overcome

these challenges. In Sections

3

and



4

, we will review most popular path

planning methods for AUV in terms of global path planning with known

static obstacles and local path planning with unknown and dynamic

obstacles.


Download 1,78 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish