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基于矢量场的欠驱动无人艇视线导引控制律设计与目标跟踪研究
| 论文题名： | 基于矢量场的欠驱动无人艇视线导引控制律设计与目标跟踪研究 |
| 关键词： | 欠驱动无人艇;视线导引控制律;目标跟踪;矢量场 |
| 摘要： | 欠驱动无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）用于海上作业的需求日益增加，研究复杂海洋环境下的导引控制策略对欠驱动USV实现精确目标跟踪至关重要。无人艇进行海洋目标跟踪需要应对海上风波浪干扰、传感器噪声和工作区域障碍物的挑战。本文针对上述问题，采用动态 A*算法生成可行航路点求取Dubins 曲线平滑路径，研究基于矢量场的制导律提高 USV 精确跟踪期望路径行驶的能力，满足USV与自主水下航行器（Autonomous underwater vehicle，AUV）对接约束要求。本文主要贡献如下： （1）针对 USV 动态目标跟踪与对接的航行路径规划问题，对未知区域实现栅格检测与可行域搜索，提出基于 A*的无人艇 Dubins 路径平滑方法。文中利用USV上的激光雷达实现对未知障碍物的检测，并与USV和AUV上搭载的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）/惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）实现多传感器融合求取船舶位置和偏航角。将传感器获取到的信息传递给 Cartographer 算法节点实施定位和地图构建，并完成动态场景的A*算法路径规划，求取绕行障碍物的最优路径。为避免航路点跟踪过程中产生摆动和曲折，对离散航路点实施Dubins曲线平滑优化。当USV到达AUV正后方对接起始点时，USV以AUV为目标点进行尾后直线跟踪，并动态调整USV的位置和方向避免对接时与AUV的碰撞。 （2）针对 USV 跟踪轨迹过程中受到海浪和水流带来的巡线精度低的问题，本文提出基于矢量场与积分视线（line-of-sight，LOS）导引控制律融合策略，改进制导效果并减少恒定外部干扰影响。融合制导策略分为直线跟踪和曲线跟踪两种情况，在直线跟踪行驶时引入平滑参数，转弯时引入矢量场，加快收敛到期望路径的速度。为了进一步减小时变外部干扰影响，提出基于矢量场的自适应LOS制导律，以时间变化的前瞻距离和转弯矢量场预测，减少期望路径跟踪的振荡。文中给出了曲率可变的期望路径跟踪的 κ-指数稳定收敛性证明，并实验测试控制器的有效性。本文基于ROS系统依次建立 USV和AUV的控制器节点，并最终在Gazebo和Software In The Loop（SITL）上进行控制性能仿真与硬件实验，验证了所提出制导律的有效性和鲁棒性，并实现欠驱动USV的目标跟踪。 本文主要展示了无人艇目标跟踪与对接方面的理论研究，所提的策略可以用于多种海洋航行器的控制，也可为无人艇后续实验提供技术与理论支持。 |
| 作者： | 苏熠明 |
| 专业： | 电子信息 |
| 导师： | 吴乃龙;陈少楠 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东华大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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