详情

原文传递海洋环境中无人机与无人船联合作业路径规划研究

论文题名：	海洋环境中无人机与无人船联合作业路径规划研究
关键词：	无人机;无人船;联合作业;路径规划;海洋环境
摘要：	在海洋作业中，无人船能够执行救援、投放、探测、巡逻等任务，但受到搜索视野与反应速度的限制，无人船的工作效率不高。为弥补该不足，同时也得以在相应的资源和时间约束下，提高工作效率，降低总运营成本，故加入无人机来与无人船共同完成海上作业。无人机具有飞行速度快、搜索能力强、机动性好等优点，在海洋上空能够完成目标搜索、目标跟踪、决策设计等任务，它的使用极大了提高任务完成的便利性与准确性，同时也使运筹优化理论与控制理论在新的领域进行融合。本文对空海协作下的无人机与无人船联合完成海上作业的路径规划进行研究，具体内容总结如下：　　（1）针对完成方位已知目标任务点未知的简单海上作业问题，为提高工作效率，以路径距离、安全性、平滑度、能耗等为约束，建立单目标无人机组路径规划模型与非线性多目标无人船编队路径规划模型，并设计了两种启发式算法求解。仿真结果表明：获得的联合作业路径方案具有路径距离短、安全性高、灵活性强等特点，能够使联合载体迅速与准确地完成任务。同时，提出的改进算法计算时间短与求解精度高，具有较好的理论与现实意义。　　（2）针对完成多个目标任务点已知的海上作业问题，为降低执行成本，考虑了任务点分布、载体负载能力、时间限制等约束，建立无人机与无人船联合作业路径优化模型，并利用改进的粒子群算法求解，获得完成联合作业的任务分配与路径规划方案。同时，建立了无人船航向角与路径的最优导航控制模型，使其以时间最短的方式航行。所得的计算结果验证了模型与算法的有效性。　　（3）针对完成多个目标任务点未知的海上作业问题，为降低任务执行时间，考虑了任务需求、负载能力、路径距离等约束，建立无人船编队的路径优化模型，并利用改进的粒子群算法求解，获得完成方位已知与任务点未知的无人船编队全局路径方案。此外，结合海面信息与动力学约束，设计了两任务点间的无人船路径规划模型来躲避障碍物。数值算例表明：提出的模型与算法是有效的，能够快速地获得时间短与成本低的全局路径方案，以及无人船在两任务点间的避碰路径。　　（4）针对完成动态目标任务点的海上作业问题，为提升作业的准确性与降低成本，建立了无人机的动态目标跟踪与轨迹预测模型，以及无人船编队任务计划模型，并利用改进的粒子群算法求解，获得完成动态海上作业的任务分配规则与路径导航方案。实验计算结果表明：模型和算法是有效的，无人机能够准确地预测动态目标运动轨迹，并且无人船编队获得了成本低的任务路径方案。　　论文的研究成果可以向海洋作业管理部门进行推广，为无人载运工具的使用与控制提供决策与技术支持。
作者：	郭兴海
专业：	物流工程与管理
导师：	计明军
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021