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原文传递基于特定观测目标的无人船路径规划及控制算法研究

论文题名：	基于特定观测目标的无人船路径规划及控制算法研究
关键词：	无人船;观测作业;路径规划;路径跟踪;滑模控制
摘要：	随着现代科学技术的不断发展，各种无人化设备层出不穷。其中无人船(Unmanned surface vehicle，USV)作为一种未来的海上交通工具和作业平台，对海洋开发与应用具有重要研究意义;无人船使用机器取代人完成控制策略的制定，现已在海洋水质监测、海洋勘测等领域投入使用;然而，由于不同作业任务和路径规划算法的限制，导致这类无人船无法执行本文要求的在特定时间内对规定海域内的某一观测目标进行近距离观测的任务;为此本文将针对观测作业任务对无人船的路径规划和路径跟踪控制技术进行深入研究。　　本文针对无人船的路径规划与路径跟踪控制技术，主要进行了以下研究工作: 　　(1)为完成无人实验平台控制系统设计，本文根据已有设计经验制定无人实验平台控制系统总体方案;为设计无人实验平台硬件控制系统，本文根据无人实验平台要实现的基本功能，分析无人实验平台的硬件控制系统功能需求;为设计无人实验平台软件控制系统，本文分析无人实验平台要具备的软件基本功能，分别制定上位机、下位机主控制器、下位机从控制器控制流程;为设计得到无人船路径跟踪控制算法，并验证其有效性，本文分析无人船运动过程中受力情况，并建立无人船运动数学模型，为下文无人船路径跟踪控制算法研究奠定基础。　　(2)为完成对特定观测目标的观测任务，本文研究在观测任务环境下的无人船全局路径规划方法。为通过数学模型对任务环境中的无人船和障碍物等进行描述，本文建立观测作业任务环境坐标系;为简化路径规划算法推导过程、保证无人船的绝对安全，本文对障碍物进行圆形包围及膨胀化处理;为完成对目标船近距离观测任务，本文初步规划无人船作业任务的全局路径;考虑到海流会对目标船位置产生影响，本文根据无人船搭载的传感器信息对全局路径进行修正;为使规划出的全局路径避开环境中的静态障碍物，本文利用人工势场法对存在障碍物的路径进行规划;为解决传统人工势场法在规划过程中存在局部最小点的问题，本文通过添加虚拟目标点的方式对传统人工势场法进行改进;最后，建立基于改进人工势场法的仿真实验模型，通过仿真实验验证本文设计的改进人工势场法在解决局部最小点和规避随机分布障碍物问题上的有效性。　　(3)为使无人船能规避海上存在的动态障碍物，本文综合考虑无人船动态性能和障碍物特点，设计一种局部路径规划算法，保证无人船海上作业的绝对安全。为便于推导局部路径规划算法，本文建立局部路径规划环境模型;为避免无人船与障碍物之间采取避障策略不同而导致碰撞事故的发生，本文研究并总结《国际海上避障规则》(以下简称《避障规则》)中有关内容;针对无人船与障碍物是否会发生碰撞问题，本文基于速度障碍原理对其进行判断，并推导无人船避开障碍物的可行速度区域;考虑到无人船自身运动性能，本文根据无人船推导在一定时间内无人船可能达到的速度范围，对可行速度区域进行约束;为从可行速度区域内选择最优解作为无人船的避障速度，本文建立评价函数对无人船速度进行评价;最后，本文建立基于速度障碍原理的局部路径规划模型，通过仿真实验验证本文设计的基于速度障碍原理的局部路径规划算法的有效性。　　(4)为使无人船能够按规划路径行驶，且保证路径跟踪精度满足任务要求，本文设计基于LOS方法的无人船间接路径跟踪控制算法。为使无人船能准确跟踪规划路径，本文基于LOS方法设计无人船的直线、圆弧路径制导方法;考虑到无人船实际工作环境中存在海浪干扰、建模误差、速度变化等因素影响，本文进一步推导无人船数学模型，得到具有不确定性项的无人船非线性数学模型;为提高无人船路径跟踪控制精度，本文设计基于不确定性上界的无人船滑模航向控制器;并通过艏向跟踪正弦对比仿真实验验证本文设计的滑模航向控制器具有更好的控制效果;最后，基于LOS的制导方法与无人船滑模航向控制器相结合，建立无人船路径跟踪控制模型;通过仿真实验验证本文设计的无人船间接路径跟踪控制算法的有效性。
作者：	王连强
专业：	机械工程
导师：	王玉甲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019