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复杂动态环境下无人艇自主导航方法研究
| 论文题名： | 复杂动态环境下无人艇自主导航方法研究 |
| 关键词： | 无人艇;自主导航;路径规划;路径跟踪控制;视线导航法;限幅PID控制 |
| 摘要： | 随着无人技术的快速发展和人类对海洋开发需求的日益增长，无人艇受到越来越多研究人员的关注，逐渐成为当今许多国家的研究热点课题。自主导航技术是无人艇领域的关键技术之一，也是无人艇智能化水平的重要体现。本文围绕复杂动态环境下无人艇自主导航方法开展了以下方面的研究。 （1）介绍了无人艇硬件系统组成并设计了无人艇自主导航软件系统。软件系统设计中，全局定位模块包括定位导航数据预处理和坐标系转换；环境感知模块包括基于船舶自动识别系统的全局环境感知和基于激光雷达的局部环境感知；基于 ROS 的通信模块利用ROS框架将消息发布和导航控制主程序分开，更便于功能软件的管理。 （2）针对无人艇在复杂动态环境下的路径规划问题，设计了基于改进RRT*-Smart的路径规划方法（RTSNew）。该方法首先优化了节点采样方式：在以无人艇为原点的极坐标系中进行采样，采用椭圆形的采样点范围约束避免无效采样，增加了历史路径缓存池以充分利用历史路径；其次，改进了节点拓展方式：对每个拓展节点增加时间信息实现动态碰撞检测，并增加了节点拓展的角度约束以保证路径平滑；最后，对移动障碍船增加虚拟障碍使得规划路径符合《国际海上避碰规则（COLREGs）》。基于VREP平台进行了无人艇航行仿真实验和对比试验，结果表明在多障碍船的复杂动态环境下，该方法相较于人工势场法和传统 RRT*-Smart方法在规划效率、路径优化、安全性方面均表现优异。 （3）针对无人艇在复杂动态环境下的路径跟踪控制问题，提出了基于改进视线（Line-of-sight，LOS）导航法和限幅 PID的路径跟踪控制方法。首先，针对传统 LOS方法中固定前视距离的局限性，设计了基于移动圆的可变前视距离 LOS 制导法，该方法以移动圆与期望路径的相对位置关系实时改变前视距离；其次，设计了基于限幅PID的路径跟踪控制方法，该控制方法以两个限幅 PI 控制器分别调控推进器的基础控制量和左右偏差量，实现航速航向控制；最后，进行仿真实验对比了该方法与传统 LOS 方法的路径跟踪效果，从跟踪精度、收敛速度、稳定性等方面展示了该方法的优越性。此外，将该方法成功应用于无人艇比赛并取得了优异的成绩。 |
| 作者： | 熊爱玲 |
| 专业： | 控制科学与工程;控制理论与控制工程 |
| 导师： | 孙长银 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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