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原文传递基于高覆盖率目标的无人船自主航行关键技术研究

论文题名：	基于高覆盖率目标的无人船自主航行关键技术研究
关键词：	水面无人船;高覆盖率;模型辨识;路径规划;运动控制;自主避障
摘要：	长久以来，海洋权益一直是世界各国竞争博弈的焦点，我国也明确提出“建设海洋强国”的战略部署。水面无人船作为人们探索与开发海洋的一类新型载体，凭借低成本、高效率和智能化的优势正逐渐发挥出不可替代的作用，无人船自主航行相关技术的创新与应用也逐步成为眼下研究的热点。在实际应用场景中，需要无人船跟踪的目标航线往往具有重要的任务价值与规划价值，对其实现高覆盖率的稳定跟踪有助于提升航行任务的完成度，保证作业的安全与效率。然而，当前围绕此类应用需求的研究相对较少。因此，本文以提升水面无人船高覆盖率自主航行能力为目标，设计研制了一种智能无人船实验平台，并基于该平台围绕无人船模型优化、路径规划、运动控制、路径跟踪以及自主避障等关键技术开展了深入的研究，主要内容包含五个部分：　　第一部分为水面无人船运动模型优化研究。首先基于Fossen矢量模型理论推导了船舶六自由度动力学模型与运动学模型，并从自主航行控制系统设计的需求出发，化简得到了水面无人船三自由度模型。然后在考虑漂角存在的情况下，进一步优化无人船真实航速与航向的驱动模型，提升了模型的真实性，同时采用曲线Serret-Frenet坐标系建立了全驱动的路径跟踪误差模型，为后续控制问题建立研究基础。　　第二部分为实船平台开发与模型辨识研究。首先介绍了本研究中研制和使用的一种智能无人船实验平台。然后结合无人船理论模型，对该平台提出了一种基于实船试航稳态-暂态过程捕捉的模型快速辨识方法，并通过对航行数据的拟合分析实现了模型参数的便捷获取。最后通过模型仿真与实船的对比实验，验证了所得模型的准确性，可作为后续控制算法设计中的主要依据。　　第三部分为基于流场的无人船节能改进路径规划算法研究。首先通过图像处理构建了无人船航行任务的地图环境。然后不同于以最短路程为目标的传统路径规划算法，通过引入水流的矢量信息与能耗距离的概念改进了经典A算法中的后退代价函数，形成了一种以节能为目标的ESA算法。同时还分析了船速因素的影响作用。数值模拟的结果显示，该算法能够同时达到安全避障和最大程度利用流场的效果，具有减少航行能耗、提升作业续航能力的作用。　　第四部分为无人船运动控制与路径跟踪优化算法研究。首先针对无人船运动控制中易受到未知干扰影响以及传统滑膜控制输出抖振的问题，提出了一种零抖振的CS-SMC准滑膜控制器。然后基于Serret-Frenet坐标系框架中的全驱动路径跟踪误差模型，结合LOS导航算法和虚拟变量控制建立了一种分层解耦式路径跟踪控制系统，其中针对无人船偏航问题重点设计了一种自适应VRID航速变化律，用以提升偏航修正过程中的动态表现。最后通过仿真与实船实验，验证了该控制系统的有效性，且能显著提升无人船跟踪目标航线航行时的覆盖率。　　第五部分为无人船自主避障优化算法研究。对于动态碰撞场景，通过生成包含碰撞预测信息的ST图，并基于该图使用动态规划搜索算法与二次规划优化算法，实现了一种最优速度规划下的无偏离避障效果。对于静态碰撞场景，在无人船运动曲率约束和最小平均偏离距离目标条件下，利用约束非线性优化算法为无人船构造了一条准均匀三次B样条曲线形式的最优局部避障路径，实现了一种低偏离避障效果。仿真与实船的实验结果表明，两种算法共同保证了无人船在全场景中的自主避障效果，同时在整体上保持了对原目标航线的高覆盖率跟踪。
作者：	丰子昂
专业：	海洋资源与环境
导师：	冷建兴;童水光
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022