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波浪滑翔器编队路径规划方法研究
| 论文题名： | 波浪滑翔器编队路径规划方法研究 |
| 关键词： | 波浪滑翔器;编队运行;路径规划;运动学建模 |
| 摘要： | 波浪滑翔器是一款能够长周期运行的波浪驱动水面无人船。随着对海洋多区域协同观测、地形地貌测绘等研究的深入，多波浪滑翔器组网编队是未来发展的趋势。在波浪滑翔器航行中，如何实现波浪滑翔器编队相互协作，在海洋中存在岛屿、浮标等障碍物的条件下如何保证行进路径最优并安全避障，以及在洋流干扰下如何按照能量最优原则行进，这些是亟需攻破的难点。针对上述问题，本文对波浪滑翔器编队路径规划算法进行了深入研究，开展了如下研究工作： 首先，建立了波浪滑翔器四自由度运动学模型，在研究路径规划的问题时，全局路径作为参考路径，主要起指导作用，而局部路径规划的目的则是导航，并将打舵角度传给执行控制器，通过将运动学约束条件引入到全局及局部路径规划算法中，使其更加符合实际，对于提高波浪滑翔器路径连续性和光滑性具有显著作用。 其次，计及波浪滑翔器运动学约束条件，对现有A*全局路径规划算法进行改进，用于提高规划路径的安全性。增加距离约束条件以减少运算量和运算时间。在启发函数中引入转向成本，避免了波浪滑翔器行进时频繁转弯。运用冗余点剔除方法，剔除了规划路径的冗余点，缩短规划路径长度，为之后的局部路径规划算法作铺垫。 再次，利用势场强度代替传统矢量力，建立了势场强度模型，改进了人工势场局部路径规划算法。结合所改进的全局路径规划算法，提出了一种局部多子目标点人工势场算法，以克服现有人工势场算法易陷入局部最小域的缺陷。提出了随机状态下编队控制策略，用以队形形成及队形保持。 然后，针对在洋流干扰下波浪滑翔器全功率驱动能耗过大的问题，提出以能量最优为指标的渐进最优路径规划算法，通过数值方法建立海流模型，利用快速探索随机树算法结合图搜索算法得到渐进最优路径，提高了波浪滑翔器走航效率，降低了能耗并缩短了任务时间。 最后，搭建了实验平台并完成了海试实验，验证了波浪滑翔器编队路径规划算法及编队策略的有效性。 |
| 作者： | 游宇嵩 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 桑宏强 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津工业大学 |
| 学位年度： | 2020 |
| 正文语种： | 中文 |
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