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基于视觉SLAM的潜航器路径规划研究
| 论文题名： | 基于视觉SLAM的潜航器路径规划研究 |
| 关键词： | 潜航器;路径规划;轨迹优化;视觉SLAM |
| 摘要： | 海洋是人类生存与发展的重要战略空间，成为世界各国竞争的主战场。作为探索海洋的利器，潜航器广泛应用于海洋资源开发、海底地貌勘探和水下军事对抗等海洋活动。为实现潜航器安全航行与自主探测，路径规划至关重要。然而，相较于地面环境，在复杂恶劣的水下为潜航器规划安全路径极为挑战，其中最突出的是水流对路径规划影响重大。具体而言，水流不仅阻碍潜航器运动，还会促使水下障碍物移动。为此，本文致力于设计适配水下环境特性的路径规划与轨迹优化算法，并利用视觉SLAM构造仿真地图验证算法的可行性。具体研究内容与成果如下： 1、针对障碍物位置动态变化的问题，设计了基于动态避障的混合A*算法。具体而言，本文首先分析了水流增加潜航器能量消耗和导致障碍物运动的问题，提出了利用水流预测障碍物位置的方法。随后，考虑水流对潜航器运动的影响和潜航器的运动时间等因素，设计了代价函数。据此，联合考虑代价函数、节点扩展、动态障碍物避障三个方面设计了路径规划算法。仿真结果表明：相较于经典的A*算法，在障碍物动态移动的情况下,本文所提出的算法能为潜航器生成一条安全的航行轨迹。 2、针对水流导致航行轨迹偏移的问题，设计了改进的B样条曲线（Bspline）轨迹优化算法。具体而言，本文首先分析了水流对航行轨迹的影响，提出了利用水流速度和障碍物相对潜航器的方向表示水流影响的思路。在此基础上，利用水流影响和轨迹光滑度构造代价函数，并且求解出使代价函数值最小的控制点位置，实现对轨迹的优化。然后，利用Bspline算法的凸包性确保优化后轨迹的安全。仿真结果表明：相较于传统的Bspline算法，本文提出的算法能大幅减弱水流对轨迹的影响，从而提高了轨迹的安全性。 通过以上研究，本文考虑水下环境特性，设计了路径规划和轨迹优化算法，削弱了水流对航行的影响，减少了潜航器能量消耗，解决了潜航器与移动障碍物易发生碰撞的问题，为实现潜航器安全自主运动提供了有效的解决方案。 |
| 作者： | 金山 |
| 专业： | 电子与通信工程 |
| 导师： | 李渝舟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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