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小型水面艇目标跟踪与避障方法研究
| 论文题名： | 小型水面艇目标跟踪与避障方法研究 |
| 关键词： | 水面艇;目标跟踪;避障技术;航行路径;规划设计 |
| 摘要： | 在国家大力建设海洋强国的大环境下，提升海上军事装备的智能程度是提升整体装备水平的一大核心。同时各种交通工具的无人化也成为当前发展的主流趋势，每年都会有大量的资金和人力投入到其中，在这方面移动机器人的研究相对较为成熟，而对于水面艇的智能化发展还处于起步阶段。本文设计一种小型水面艇以实现目标跟踪与避障的任务为目标，独立自主的设计目标跟踪与目标定位算法，针对跟踪过程中水面环境存在障碍物的情况，对小型水面艇的航行路径予以规划，规划出一条能使小型水面艇从当前位置跟踪上目标的安全且可以对路径上的障碍进行规避的无碰路径。 本文首先针对实验所用的小型水面艇建立控制模型，在三自由度的小型水面艇运动模型的基础上，经过推到分析得到小型水面艇的操纵响应方程:Nomoto模型，并通过实验得到所用小型水面艇Nomoto模型的参数。 接着在小型水面艇上通过单目摄像头实现对目标的跟踪与定位，基于KCF（核相关滤波）算法实现小型水面艇对目标的跟踪，并提出一种基于单目摄像头的目标定位算法，针对跟踪过程中可能出现的目标丢失的问题，利用不同帧之间的响应值的关系，对目标是否丢失进行判断，将目标消失后又重新出现在摄像头视野时将前后两帧做差，得到残差图像并对其进行二值化处理，然后通过K-Means算法重新对目标进行检测，实现对精确模型的重新建立，以此实现对丢失目标的重新跟踪。 然后对于小型水面艇航行过程中遇到障碍物的问题，采用人工势场法对其径进行规划，针对传统人工势场法存在的目标附近有物导致目标位置不可达以及易陷入局部极小值点的缺陷，通过改写斥力势场函数以及在引力势场函数中引入振荡函数，提出一种改进的人工势场法对小型水面艇的航行进行路径规划。并以小型水面艇的控制模型为根据设计小型水面艇的基于自抗扰算法的航向控制器，通过MATLAB仿真验证其有效性。 最后为了验证所提出的方法对于小型水面艇目标跟踪与避障的任务是否有效，对小型水面艇的总体结构进行分析，并分别从软硬件两方面入手，对系统进行设计。最终通过实船实验，在水面有障碍物和没有障碍物两种情况下，做小型水面艇对目标的跟踪实验，从而验证了所设计系统的有效性和可行性。 |
| 作者： | 赵洋 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 刘志林;王岩 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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