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水面无人艇编队路径规划与避障技术研究
| 论文题名： | 水面无人艇编队路径规划与避障技术研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;路径规划;自主避障;编队控制 |
| 摘要： | 水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）作为一种具有自主航行、自动作业能力的水面平台，具有低成本、环境适应性强等特点，在民用和军事领域均有广泛的应用前景。路径规划与避障技术是实现无人艇智能化的关键技术之一，是当前发展的热点。相较于单一无人艇，使用多艘无人艇组成编队协同合作，实现共同目标，可以提高效率、增强容错能力。本文在此背景下，对相关技术进行研究，并设计了适用于动态环境的无人艇编队路径规划和自主避障算法。论文的主要工作如下： （1）基于参考坐标系和水动力学理论，建立水面艇的通用运动学和动力学模型，并根据欠驱动无人艇的平面运动特性，忽略纵摇、横摇和垂荡，简化得到包含纵荡、横荡以及艏摇的三自由度数学模型，为后续算法设计提供数学基础。 （2）设计基于栅格环境建模和改进A*算法的全局路径规划算法。首先通过动态改变搜索步长来提高A*算法大范围搜索时的效率，参数设置合理的情况下运行时间可缩短几十倍，再通过LOS法提取关键航路节点和利用Dubins路径进行平滑处理来消除路径中的转角，使生成路径符合无人艇运动约束和安全要求。仿真结果表明该改进算法能够快速生成高平滑度的安全可行路径，算法性能较现有算法有明显提升。 （3）在传统人工势场的基础上，引入相对速度和全局参考路径建立速度势场和引导势场，建立了动态人工势场，提高了对动态障碍物的躲避能力，并针对人工势场法存在的不可达问题和局部极小值问题进行了改进，设计了局部避障算法。通过搭载了雷达和组合导航设备的无人艇获取实际数据，进行了半物理仿真，结果表明该算法能够在沿参考路径航行的同时，有效躲避先验未知的突发障碍。 （4）针对三艘无人艇组成的编队，利用领航跟随法将队形控制问题转化为航迹跟踪问题，并基于Lyapunov稳定性原理，在考虑无人艇模型参数不确定性的情况下，设计了运动学控制器得到虚拟控制率，接着利用滑模控制方法设计了动力学控制器，并以饱和函数替代切换控制率，减小状态抖振，仿真结果表明该控制方法能对目标航迹实现有效的跟踪。接着引入虚拟领航者提出了分层编队控制方法，将编队控制与路径规划相结合，并通过跟随模式和避障模式的切换来实现动态环境中的队形保持、变换和自主避障，在尽可能保持编队完整性的同时，赋予编队中各成员一定的自主性。动态环境中的仿真结果表明该方法可实现无人艇编队的自主路径规划和避障。 |
| 作者： | 王子静 |
| 专业： | 仪器科学与技术 |
| 导师： | 陈熙源 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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