Adaptive Vektorfeld-basiertes Line-Of-Sight-Führungsgesetz zur Pfadverfolgung für unteraktuierte unbemannte Oberflächenfahrzeuge

Centrala begrepp

Das vorgeschlagene Führungsgesetz auf Basis von Vektorfeldern verbessert die Genauigkeit der Pfadverfolgung von unbemannten Oberflächenfahrzeugen und gewährleistet gleichzeitig deren Sicherheit.

Sammanfattning

Der Beitrag entwickelt ein Führungsgesetz für unbemannte Oberflächenfahrzeuge (USV), das auf dem Konzept von Vektorfeldern basiert. Das vorgeschlagene Führungsgesetz, das als "Vektorfeld-basiertes adaptives Line-Of-Sight-Führungsgesetz" (VFALOS) bezeichnet wird, zielt darauf ab, die Genauigkeit der Pfadverfolgung zu verbessern und die Überschwingzeit während der Verfolgung gekrümmter Pfade zu minimieren.

Die Hauptbeiträge sind:

• Entwicklung eines adaptiven Line-Of-Sight-Führungsgesetzes auf Basis von Vektorfeldern, um die Lenkleistung des unbemannten Bootes zu verbessern und Dämpfungseigenschaften über die Spur für Fehlerüberschwingungen zu bieten.
• Stabilitätsanalyse, die zeigt, dass das vorgeschlagene Führungsgesetz global κ-exponentiell stabil ist, wenn es auf einen idealen Pfad aus geraden und gekrümmten Linien konvergiert.
• Verifizierung der Effektivität des vorgeschlagenen Führungsgesetzes und seiner Robustheit gegenüber unvorhersehbaren externen Störungen durch Simulationen und Experimente auf einem See.

Die Ergebnisse zeigen, dass das VFALOS-Führungsgesetz die Genauigkeit der Pfadverfolgung des USV verbessert und gleichzeitig die Sicherheit des USV-Betriebs gewährleistet.

Statistik

Die Kinematik des USV wird durch Gleichungen (1) bis (6) beschrieben.
Die Dynamik des USV wird durch Gleichungen (7) bis (11) beschrieben.
Die Gleichungen (16) und (17) definieren das vorgeschlagene VFALOS-Führungsgesetz.
Die Gleichung (30) beschreibt die Verteilung der gewünschten Geschwindigkeit des USV während der Pfadverfolgung.

Citat

"Das vorgeschlagene Führungsgesetz auf Basis von Vektorfeldern verbessert die Genauigkeit der Pfadverfolgung von unbemannten Oberflächenfahrzeugen und gewährleistet gleichzeitig deren Sicherheit."
"Das VFALOS-Führungsgesetz nicht nur Geraden besser verfolgt, sondern auch den gewünschten Pfad in Kurven mit weniger Überschwingen und besserer Verfolgungsleistung nachverfolgt."

Viktiga insikter från

Adaptive Line-Of-Sight guidance law based on vector fields path following for underactuated unmanned surface vehicle

by Jie Qi,Rongh... på arxiv.org 03-27-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.17448.pdf

Djupare frågor

Wie könnte das VFALOS-Führungsgesetz für den Einsatz in Gebieten mit stärkeren Strömungen oder Wellen weiter verbessert werden

Um das VFALOS-Führungsgesetz für den Einsatz in Gebieten mit stärkeren Strömungen oder Wellen zu verbessern, könnten verschiedene Ansätze verfolgt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Adaptivität des Führungsgesetzes zu erhöhen, um auf sich schnell ändernde Umgebungsbedingungen reagieren zu können. Dies könnte durch die Integration von Echtzeitdaten von Umgebungssensoren erreicht werden, die Strömungsgeschwindigkeiten, Wellenhöhen und andere relevante Informationen erfassen. Durch die kontinuierliche Anpassung der Führungsgesetzparameter an diese Daten könnte die Leistung des Systems in anspruchsvollen Umgebungen verbessert werden. Darüber hinaus könnte die Implementierung von Vorhersagemodellen für Strömungen und Wellen dazu beitragen, zukünftige Bedingungen vorherzusagen und die Reaktionsfähigkeit des VFALOS-Führungsgesetzes zu optimieren.

Welche zusätzlichen Sensoren oder Informationen könnten verwendet werden, um die Robustheit des Systems gegenüber unvorhersehbaren Störungen weiter zu erhöhen

Um die Robustheit des Systems gegenüber unvorhersehbaren Störungen weiter zu erhöhen, könnten zusätzliche Sensoren oder Informationen integriert werden. Beispielsweise könnten Lidar-Sensoren verwendet werden, um Hindernisse frühzeitig zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden. Die Integration von Kamerasystemen mit Bildverarbeitungsalgorithmen könnte es dem System ermöglichen, visuelle Hinweise zu interpretieren und auf unerwartete Ereignisse zu reagieren. Darüber hinaus könnten Inertialsensoren zur Verbesserung der Lagebestimmung und Bewegungserfassung eingesetzt werden. Durch die Fusion verschiedener Sensordaten könnte das System eine umfassendere und zuverlässigere Wahrnehmung seiner Umgebung erlangen, was seine Robustheit gegenüber Störungen erhöhen würde.

Wie könnte das VFALOS-Führungsgesetz für die Koordination und Kollisionsvermeidung mehrerer USVs erweitert werden

Um das VFALOS-Führungsgesetz für die Koordination und Kollisionsvermeidung mehrerer USVs zu erweitern, könnte eine Kommunikationsinfrastruktur implementiert werden, die den Informationsaustausch zwischen den Fahrzeugen ermöglicht. Durch die Integration von drahtloser Kommunikationstechnologie könnten die USVs ihre Positionen und geplanten Routen untereinander teilen, um Kollisionen zu vermeiden und effiziente Koordinationsstrategien zu entwickeln. Die Implementierung von Kollisionsvermeidungsalgorithmen und kooperativen Steuerungsansätzen könnte es den USVs ermöglichen, autonom zusammenzuarbeiten, um komplexe Aufgaben in koordinierter Weise auszuführen. Darüber hinaus könnten zentrale Überwachungssysteme eingesetzt werden, um die Bewegungen der USVs zu überwachen und bei Bedarf eingreifen zu können, um die Sicherheit und Effizienz des Flottenbetriebs zu gewährleisten.