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复杂海洋环境自主水下航行器柔性编队航路规划方法研究
| 论文题名： | 复杂海洋环境自主水下航行器柔性编队航路规划方法研究 |
| 关键词： | 自主水下航行器;航路规划;粒子群算法;跟踪控制;柔性编队 |
| 摘要： | 自主水下航行器通过编队协作方式可突破单航行器在环境感知、信息决策和任务执行等方面受到的限制，极大提升系统性能。然而海洋环境复杂，水下导航、控制、通信能力受限，通过设计合理有效的编队航路可以降低控制过程的复杂度，减少航行器间通讯的信息量，提高编队任务的成功率。针对编队航路规划问题，提出柔性编队航路规划算法。设计跟踪控制器，进行编队航行控制仿真。 首先对复杂的海洋环境和航路规划空间进行分析建模，并根据编队航行特点对编队航路约束条件建模。接着以设计的编队队形为基础，建立队形可动态变换或调整的柔性编队模型，以适应水下复杂环境。 考虑到粒子群算法在解决航路规划问题时存在的局限性，采用动态编码和时间规整的粒子群算法解决编队航路规划问题。通过分析编队航行过程，编队航路规划可拆分为具有队形约束的多航路规划和无队形约束的协同航路规划两个步骤。首先，将编队中所有航路编码为一个粒子，对失效粒子进行“变异”，对维数冗余粒子进行降维，不同维数粒子按照动态时间规整思想进行匹配和调整，通过迭代寻优，得到满足队形约束的导航点。然后，通过对航路的聚类处理得到一组时、空协同航路。设计复杂海洋环境下不同任务的编队航路规划实验，验证了算法的有效性和可行性。 将柔性编队模型引入到编队航路规划算法中，提出一种柔性编队航路规划算法。在粒子初始化时，设计柔性变换因子，确定队形动态变换策略；针对不同的环境影响，对粒子进行“柔性变异”，保证粒子的有效性和多样性，从而得到适用于不同环境约束的柔性编队航路。通过与固定编队航路规划算法进行对比实验，验证了该算法的可行性；针对特定水下复杂环境，该算法得到的编队航路时间代价更低。 编队航路可分为编队保持阶段和编队非保持阶段。在编队非保持阶段，采用基于智能积分的S面控制方法实现航行器的轨迹跟踪；而在编队保持阶段，设计了协同航路跟踪控制器，确保编队航行过程中队形的稳定。最后通过仿真实验，验证了所提控制算法的可行性，展示了规划航路的有效性。 |
| 作者： | 余耀宇 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 蔡超 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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