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原文传递无人艇能耗优化路径规划研究

论文题名：	无人艇能耗优化路径规划研究
关键词：	无人艇;全局路径规划;实时避障;能耗优化
摘要：	随着国家对于海洋资源的开发和保护愈发重视，无人艇作为一种典型的水面无人智能平台成为当前的研究热点。无人艇的路径规划问题是无人艇系统所面临的核心问题之一，同时，携带能源有限的无人艇在航行中也常常面临能源不足的问题。因此，本文针对能耗优化场景中电力驱动的小型单体无人艇路径规划的环境建模、路径搜索、实时规划等难点问题进行研究，主要包含以下几个方面：　　首先，通过对船舶流体力学分析、模型辨识等手段的应用，建立了三自由度描述下的无人艇运动学与动力学模型。之后，运用了船舶能效研究的方法，分析了无人艇推进系统的能量传递和航行时克服阻力做功的状况，建立了无人艇的能耗模型。　　针对能耗优化场景下全局路径的环境建模和路径搜索问题，首先提出了一种多栅格描述无人艇的环境地图建模方法，考虑了无人艇的刚体特性、运动特性、能耗特性，在栅格地图中定义了符合无人艇模型的栅格状态和栅格转移规则。之后，设计了基于改进蚁群算法的无人艇全局路径搜索算法，综合考虑了无人艇的直线能耗、转向能耗以及环境能耗，并针对早熟、死锁等问题对蚁群算法进行了分析和改进。　　针对能耗优化场景下局部路径的实时规划问题，设计了一种基于节能策略的改进人工势场算法，主要从不可达问题、动态避障场景下的能耗、海流影响下的能耗等三个方面对人工势场算法进行了改进：通过修改斥力函数和增加逃逸力避免了人工势场法中的目标不可达和局部极小值问题，依据动态避障场景下的节能策略设计了一种基于相对速度分解的动态避障斥力场函数，并依据海流影响下的节能策略提出了一种基于修正速度场的航向航速矢量修正方法。　　最后，依托于单体无人艇HUSTER-12，搭建了控制、通信、感知、协同等软硬件模块一体化的无人艇实验平台，并在此基础上完成了路径规划算法的仿真实验和工程实验，实验表明本文改进后的算法在多种能耗指标上获得了优化，并且具有工程应用上的可行性。
作者：	高明远
专业：	新能源科学与工程
导师：	张海涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022