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基于数值最优控制的无人船路径规划方法
| 论文题名： | 基于数值最优控制的无人船路径规划方法 |
| 关键词： | 路径规划;无人船;复杂洋流环境;多目标优化模型;最优控制 |
| 摘要： | 水面无人船已成为特殊环境下替代人力的不二选择。作为可移动智能体，路径规划是无人船到达指定水域执行任务的先决条件，大量研究就此展开。然而，现有方法存在如下缺陷：一是路径的最优性、平滑性亟需提高；二是算法的鲁棒性、求解效率难以保障；三是无法优化本征参数以实现能量消耗的最小化。 基于此，本文提出了面向复杂障碍物与复杂洋流环境的路径规划最优控制方法。 针对复杂障碍物环境，建立了含无人船运动学特性的路径规划避障用连续时间最优控制模型，并提出了数值求解算法。该算法利用离散化将原无限维连续问题转化为有限维非线性规划问题，并基于Maklink图提出了一种迭代求解策略以快速获得最优解。此外，证明了原连续时间最优控制模型的一阶必要条件与数值算法所得非线性规划问题Karush-Kuhn-Tucker条件的等价性，即算法的最优性。 针对复杂洋流环境，建立了以航行速度等参数为基础的多目标最优控制模型，并提出了一种多域内耦合配点法。该方法包括划分子域、离散化、渐进求解、搜索最优解集四部分。此外，从理论上严格证明了所提出数值方法的高效性、多种耦合方式的等价性及结果的最优性。 最后，设计了大量仿真实验并与A*、GA、RRT、APF、ACO等现有算法进行了对比验证。结果表明：所提出算法求解的高效性、不同优化目标下的最优性、胜任复杂环境的鲁棒性、提供参数信息的先导性均优于现有算法。 |
| 作者： | 郝顺丰 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 马东方 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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