This article presents an in-depth review of the topic of path following for autonomous robotic vehicles, with a specific focus on vehicle motion in two dimensional space (2D). From a control system standpoint, path following can be formulated as the problem of stabilizing a path following error system that describes the dynamics of position and possibly orientation errors of a vehicle with respect to a path, with the errors defined in an appropriate reference frame. In spite of the large variety of path following methods described in the literature we show that, in principle, most of them can be categorized in two groups: stabilization of the path following error system expressed either in the vehicle's body frame or in a frame attached to a "reference point" moving along the path, such as a Frenet-Serret (F-S) frame or a Parallel Transport (P-T) frame. With this observation, we provide a unified formulation that is simple but general enough to cover many methods available in the literature. We then discuss the advantages and disadvantages of each method, comparing them from the design and implementation standpoint. We further show experimental results of the path following methods obtained from field trials testing with under-actuated and fully-actuated autonomous marine vehicles. In addition, we introduce open-source Matlab and Gazebo/ROS simulation toolboxes that are helpful in testing path following methods prior to their integration in the combined guidance, navigation, and control systems of autonomous vehicles.


翻译:本文对自主机器人飞行器的路径专题进行了深入审查,具体侧重于两维空间的车辆运动(2D)。从控制系统的角度,路径跟踪可被表述为稳定一条路径沿轨系统的问题,该路径系统描述车辆在路径上的定位动态和可能的方向错误,并在适当的参考框架中界定了错误。尽管在文献中描述的路径上有许多不同的方法,但从原则上说,它们大多可以分为两类:稳定在车辆身体框或与沿路径移动的“参照点”相连的路径系统,如Frenet-Serret(F-S)框架或平行运输(P-T)框架。通过这一观察,我们提供了一种简单而笼统的统一的表述,足以涵盖文献中现有的许多方法。我们然后从设计和实施的角度来讨论每种方法的利弊。我们进一步展示了从实地测试中得出的路径上的路径的实验结果,即从操作后测试法测试,即Frenet-Serret(F-S)框架或平行运输(P-T)框架。根据这一观察,我们提供了一种简单而通用的整合式的整合工具,我们采用了开放和完全自主的导航工具的系统,然后在模拟工具中引入了开放的自动测试。

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