在本文中，我們提出了自主機(jī)器人船的設(shè)計(jì)，建模和實(shí)時(shí)非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制（NMPC）。該機(jī)器人易于制造，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠在室內(nèi)和室外環(huán)境中進(jìn)行精確的軌跡跟蹤。特別地，提出了用于機(jī)器人船的十字型四推進(jìn)器配置以產(chǎn)生有效的完整運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人原型快速3D打印，然后通過(guò)粘附幾層玻璃纖維密封。為了實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤控制，我們?yōu)榫哂锌刂戚斎爰s束的四控制輸入船制定了NMPC策略，其中非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型包括科里奧利和向心矩陣，流體動(dòng)力學(xué)附加質(zhì)量和阻尼。通過(guò)將“GPS”模塊和慣性測(cè)量單元（IMU）集成到機(jī)器人中，我們展示了機(jī)器人船沿著游泳池和天然河流中預(yù)先計(jì)劃的路徑的準(zhǔn)確軌跡跟蹤。此外，與類(lèi)似系統(tǒng)相比，本文中采用的代碼生成策略在NMPC算法的運(yùn)行時(shí)間上產(chǎn)生了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。該機(jī)器人旨在形成表面群體機(jī)器人測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)，可以評(píng)估表面運(yùn)輸和動(dòng)態(tài)浮動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施自組裝的集體算法。

實(shí)際上，采用RTK GPS（Emlid，Reach）來(lái)獲取機(jī)器人在室外環(huán)境中的厘米精度位置。室內(nèi)“GPS”系統(tǒng)（Marvelmind機(jī)器人技術(shù)）用于提供2厘米的機(jī)器人位置精度。IMU（LORD Microstain，3DM-GX5-25）與機(jī)器人主體的主軸平行放置，以監(jiān)測(cè)機(jī)器人的偏航，俯仰，滾轉(zhuǎn)，線(xiàn)性加速度和角速度。3D LiDAR（Velodyne，Puck VLP-16）安裝在機(jī)器人的頂部中央，用于避免未來(lái)的障礙物和SLAM。本文不使用LiDAR。開(kāi)發(fā)的機(jī)器人船的一個(gè)快照如圖3（b）所示。機(jī)器人在機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）上運(yùn)行，其詳細(xì)規(guī)格在表I中列出。

該方法可以成功地控制機(jī)器人船沿著所需的正弦形軌跡和方向?？刂破髂軌蛟谀M中很好地跟蹤所需的軌跡，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中保持小的跟蹤誤差。而且，實(shí)驗(yàn)中的控制動(dòng)作不如模擬中的平滑。這可能是由機(jī)器人的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型以及機(jī)器人狀態(tài)下的測(cè)量噪聲引起的。

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