原文传递
无人水下航行器编队路径规划及控制技术研究
| 论文题名： | 无人水下航行器编队路径规划及控制技术研究 |
| 关键词： | 无人水下航行器;路径规划;动态人工势场法;目标跟踪;滑模控制 |
| 摘要： | 无人水下航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）被广泛应用于海洋勘探、军事、交通运输等方面，对我国实现海洋强国战略具有重要的意义。随着UUV应用的不断拓展，单UUV作业已经无法适用于日益复杂任务需求和复杂多变的海洋环境，UUV集群化成为UUV的重要发展方向。本文将以某欠驱动UUV为研究对象，针对复杂海域环境下的UUV编队路径规划和控制问题进行了深入研究。本文主要研究内容如下： 针对UUV路径规划中传统遗传算法存在的收敛速度慢以及种群多样性差的问题，分别提出精英选择策略以及余弦式交叉变异操作，并设计指数式适应度转换来提高遗传算法迭代进化能力。综合考虑UUV在路径规划时的多个约束条件，同时针对航行距离、路径能耗等优化目标，并以栅格作为地图环境模型实现最优路径规划。针对栅格地图中折点多的问题，使用Floyd算法来对已规划路径作优化处理，然后在栅格地图中进行路径搜索验证本章算法。 针对UUV航行海域环境的未知性，基于人工势场法研究动态环境下的路径规划技术。考虑移动的目标点，将UUV与目标点之间的相对速度加入到引力势场函数中。考虑实际海域环境中存在动态的障碍物，将UUV与障碍物之间的相对速度引入到斥力势场函数中，并通过仿真验证改进动态人工势场法的有效性。 针对UUV任务类型的多变性以及海洋环境的复杂性，将领航跟随编队思想与动态人工势场法相结合，实现UUV编队路径规划。为使跟随UUV能够规避障碍物，设计跟随UUV自主规避动、静态障碍物的避障策略。为确保UUV能够保持编队队形控制以及具有良好的避障策略，设计避障与编队控制优先级策略。考虑到UUV编队存在相互碰撞的可能，设计UUV之间的自主避碰策略。最后仿真结果表明以上策略的有效性。 在UUV编队路径规划的基础上，研究UUV编队路径跟踪控制问题。设计一种自适应人工势场法，减少多余的路径点，为UUV编队实现精确跟踪奠定基础。为使UUV精确跟踪基于人工势场法已规划的路径，引入Serret-Frenet坐标系，并设计基于路径规划的LOS制导方法。基于非奇异终端滑模控制设计UUV控制律，确保系统误差可以在有限时间内趋近于零。最后基于Lyapunov稳定性理论证明所设计控制系统的稳定性，仿真实验验证律所设计UUV编队路径规划及跟踪控制的有效性。 |
| 作者： | 滕建平 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 梁霄 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
检索历史
应用推荐
