Planificación de Movimiento Segura y Óptima para Vehículos Submarinos Autónomos: Un Marco de Control Predictivo Robusto que Integra Objetivos de Tiempo de Marcha Rápida y Funciones de Barrera de Control Adaptativas
Autores: Tian, Zhonghe; Chen, Mingzhi
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Planificación de Movimiento Segura y Óptima para Vehículos Submarinos Autónomos: Un Marco de Control Predictivo Robusto que Integra Objetivos de Tiempo de Marcha Rápida y Funciones de Barrera de Control Adaptativas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Vehículos submarinos autónomos
Control predictivo por modelo
Evitación de obstáculos
Campo potencial artificial
Planificación de movimientos
Margen de seguridad
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Los Vehículos Submarinos Autónomos (AUVs) han mostrado una promesa significativa en diversas aplicaciones submarinas, pero enfrentan desafíos en entornos dinámicos debido a las limitaciones de los métodos tradicionales de planificación de movimiento, mientras que las funciones de barrera de control basadas en Campos Potenciales Artificiales (APF) se centran únicamente en la proximidad a los obstáculos y los métodos basados en distancias simplifican en exceso las geometrías de los obstáculos, y ambos fallan en garantizar la seguridad y satisfacer las restricciones de radio de giro para AUVs subactuados en entornos complejos. Este artículo propone un marco robusto de Control Predictivo por Modelo (MPC) que integra una función de barrera de control de marcha rápida mejorada, diseñada específicamente para AUVs equipados con sistemas de sonar totalmente direccionales. El marco introduce una mejora novedosa para obstáculos en movimiento al extender la propagación del campo de la función de barrera de control a lo largo de la dirección de movimiento del obstáculo. Esta mejora genera planes de movimiento precisos que garantizan la seguridad, satisfacen las restricciones cinemáticas y manejan eficazmente obstáculos estáticos y dinámicos. Los resultados de simulación demuestran un rendimiento superior en la evitación de obstáculos y la planificación de movimiento en escenarios complejos, con resultados clave que incluyen un margen de seguridad mínimo de 1.86 m en entornos desordenados (frente a 0 m para A* y FMM) y 1.76 m en escenarios de obstáculos dinámicos (frente a 0.13 m para MPC-APFCBF), destacando la capacidad del marco para mejorar la seguridad y eficiencia de la navegación para implementaciones de AUV en el mundo real en entornos marinos impredecibles.
Descripción
Los Vehículos Submarinos Autónomos (AUVs) han mostrado una promesa significativa en diversas aplicaciones submarinas, pero enfrentan desafíos en entornos dinámicos debido a las limitaciones de los métodos tradicionales de planificación de movimiento, mientras que las funciones de barrera de control basadas en Campos Potenciales Artificiales (APF) se centran únicamente en la proximidad a los obstáculos y los métodos basados en distancias simplifican en exceso las geometrías de los obstáculos, y ambos fallan en garantizar la seguridad y satisfacer las restricciones de radio de giro para AUVs subactuados en entornos complejos. Este artículo propone un marco robusto de Control Predictivo por Modelo (MPC) que integra una función de barrera de control de marcha rápida mejorada, diseñada específicamente para AUVs equipados con sistemas de sonar totalmente direccionales. El marco introduce una mejora novedosa para obstáculos en movimiento al extender la propagación del campo de la función de barrera de control a lo largo de la dirección de movimiento del obstáculo. Esta mejora genera planes de movimiento precisos que garantizan la seguridad, satisfacen las restricciones cinemáticas y manejan eficazmente obstáculos estáticos y dinámicos. Los resultados de simulación demuestran un rendimiento superior en la evitación de obstáculos y la planificación de movimiento en escenarios complejos, con resultados clave que incluyen un margen de seguridad mínimo de 1.86 m en entornos desordenados (frente a 0 m para A* y FMM) y 1.76 m en escenarios de obstáculos dinámicos (frente a 0.13 m para MPC-APFCBF), destacando la capacidad del marco para mejorar la seguridad y eficiencia de la navegación para implementaciones de AUV en el mundo real en entornos marinos impredecibles.