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汇报人：2024-01-15基于ADRC的机器鱼的路径跟踪研究

目录引言机器鱼运动模型与路径跟踪问题描述基于ADRC的机器鱼路径跟踪控制器设计

目录实验平台搭建与实验方案设计实验结果分析与讨论结论与展望

01引言

随着海洋资源的日益重要，水下机器人技术成为海洋资源开发和利用的关键手段。机器鱼作为水下机器人的一种，具有高效、灵活、隐蔽性强等优点，在海洋环境监测、水下考古、水下救援等领域具有广阔的应用前景。海洋资源开发与利用路径跟踪技术是水下机器人实现自主导航和作业的基础。然而，由于水下环境的复杂性和不确定性，如水流、水温、水质等因素的干扰，使得水下机器人的路径跟踪技术面临很大的挑战。因此，研究一种高效、鲁棒的水下机器人路径跟踪方法具有重要意义。路径跟踪技术的挑战研究背景与意义

VS国外在机器鱼路径跟踪方面起步较早，已经取得了一系列重要成果。例如，美国麻省理工学院的研究团队提出了一种基于模型预测控制的机器鱼路径跟踪方法，实现了高精度的路径跟踪。此外，欧洲和日本等国家和地区也在机器鱼路径跟踪方面开展了大量研究工作。国内研究现状国内在机器鱼路径跟踪方面的研究相对较晚，但近年来也取得了显著进展。例如，中国科学院自动化研究所的研究团队提出了一种基于自适应动态规划的机器鱼路径跟踪方法，实现了较好的跟踪效果。同时，国内一些高校和企业也在积极开展机器鱼路径跟踪技术的研究和应用工作。国外研究现状国内外研究现状及发展趋势

研究内容、目的和方法通过本研究，旨在提高水下机器人路径跟踪的精度和鲁棒性，为水下机器人的自主导航和作业提供技术支持。同时，通过实验结果的分析和比较，验证所提方法的有效性和优越性。研究目的本研究采用理论分析、仿真实验和实物实验相结合的方法进行研究。首先，建立机器鱼的运动模型，分析路径跟踪问题的本质；其次，设计基于ADRC的路径跟踪控制器，并进行仿真实验验证其有效性；最后，搭建实验平台，进行实物实验验证所提方法的实际应用效果。研究方法

02机器鱼运动模型与路径跟踪问题描述

描述机器鱼在水中的位置、速度和加速度等运动学特性。运动学模型动力学模型传感器模型分析机器鱼受到的水动力、推进力和控制力等动力学因素。模拟机器鱼的感知系统，包括水深、水温、水流速度等环境参数的测量。030201机器鱼运动模型建立

根据任务需求，为机器鱼规划出一条从起点到终点的最优或次优路径。路径规划设计控制器，使机器鱼能够沿着规划好的路径进行稳定、快速的跟踪。路径跟踪控制在跟踪过程中，机器鱼需要实时感知周围环境，避开障碍物，并根据环境变化自适应调整跟踪策略。避障与自适应路径跟踪问题描述

跟踪精度稳定性快速性鲁棒性路径跟踪性能评价指标衡量机器鱼实际运动轨迹与规划路径之间的偏差程度，包括位置偏差、角度偏差等。评价机器鱼跟踪路径的速度和效率，包括响应时间、跟踪速度等。反映机器鱼在跟踪过程中的动态稳定性，如速度波动、姿态变化等。考察机器鱼在复杂环境中的抗干扰能力和自适应能力，如水流干扰、温度变化等。

03基于ADRC的机器鱼路径跟踪控制器设计

自抗扰控制（ADRC）是一种不依赖精确模型的控制方法，通过扩张状态观测器（ESO）估计系统总扰动并实时补偿，使系统具有强鲁棒性。将ADRC应用于机器鱼路径跟踪，可解决模型不确定性、外部扰动等问题，提高跟踪精度和稳定性。ADRC原理及在路径跟踪中的应用在路径跟踪中的应用ADRC原理

控制器结构设计设计包含跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈（NLSEF）的ADRC控制器，实现机器鱼路径跟踪。参数整定方法采用经验法、试凑法或优化算法对控制器参数进行整定，以获得最佳控制性能。控制器结构设计与参数整定

仿真环境搭建建立机器鱼运动模型，构建仿真环境，模拟实际水域环境。仿真验证在仿真环境中对设计的ADRC控制器进行验证，观察机器鱼在不同路径、不同扰动下的跟踪效果。性能分析通过对比分析、定量评估等方法，对控制器的跟踪精度、稳定性、鲁棒性等性能进行分析。仿真验证与性能分析

04实验平台搭建与实验方案设计

选用高精度、高灵活性的机器鱼模型，具备模拟真实鱼类游动的能力。机器鱼模型控制系统传感器配置水池环境采用高性能计算机作为控制系统核心，配备专业控制软件，实现对机器鱼的精确控制。在机器鱼上安装位置、姿态、速度等传感器，实时监测机器鱼的状态信息。搭建适宜大小的水池，模拟真实水域环境，为实验提供必要的场地条件。实验平台搭建及硬件配置

根据实验需求，设计不同的路径规划算法，生成机器鱼的期望游动路径。路径规划基于ADRC（自适应鲁棒控制）理论，设计合适的控制策略，实现对机器鱼游动路径的精确跟踪。控制策略制定通过实验数据分析和仿真验证，对控制策略中的参数进行整定和优化，提高控制性能。参数整定与优化按照实验方案逐步进行实验，记录实验数据并观