详情

原文传递面向无人艇集群队形变换的运动规划

论文题名：	面向无人艇集群队形变换的运动规划
关键词：	无人艇集群;队形变换;运动规划;控制障碍函数;二次规划;鲁棒优化
摘要：	海洋中蕴含的丰富的自然资源，包括矿产资源、生物资源等，为人类未来的发展提供了资源上的保障，是人类生存与可持续发展不可缺少的资源宝库。无人艇作为一种探索海洋的新型工具，具有体积小、速度高、无人员风险等优点，特别是无人艇集群协同作业可以大大提高搜救、侦察、监测等任务的效率和容错能力，在民用和军用领域得到广泛应用。运动规划可以生成连接无人艇初始点和目标点的路径，同时使无人艇在整个运动过程中满足运动学约束、障碍物避碰约束等约束条件。本文以小型欠驱动无人艇作为研究对象，研究了面向无人艇集群队形变换的运动规划问题。论文的主要工作如下：　　首先，针对存在运动学约束、静态障碍物约束和无人艇集群避碰约束条件下的无人艇集群队形变换的运动规划问题，提出了基于速度和角速度控制障碍函数的集群运动规划方法。通过控制障碍函数将无人艇避碰约束转化为无人艇的前向速度和角速度约束，然后采用二次规划得到最优集群运动路径，实现了运动规划的避碰任务。最后，将所提方法应用于无人艇集群三角形变成五边形的队形变换、船舶列车编队入列和解列任务，仿真和硬件在环仿真结果验证了所提无人艇集群运动规划方法的有效性。　　第二，针对存在运动学约束、静态障碍物约束和无人艇集群避碰约束条件下的基于角速度信息的无人艇集群队形变换运动规划问题，提出了基于角速度控制障碍函数的集群运动规划方法。通过控制障碍函数将无人艇避碰约束转化为无人艇的角速度约束，采用二次规划得到无碰撞风险的集群运动路径。与基于速度和角速度控制障碍函数的集群运动规划方法相比，所提方法的优点在于仅采用无人艇角速度信息实现了运动规划中的避碰任务。最后，将所提方法应用于无人艇集群从矩形的四个边角航行到对角的队形变换任务，仿真和硬件在环仿真结果验证了所提无人艇集群运动规划方法的有效性。　　第三，针对存在海洋环境干扰、运动学约束、静态障碍物约束和无人艇集群避碰约束条件下的无人艇集群队形变换的运动规划问题，提出了基于鲁棒优化角速度控制障碍函数的集群运动规划方法。通过鲁棒优化控制障碍函数将无人艇避碰约束转化为无人艇角速度约束，然后采用二次规划得到最优无碰撞风险集群运动路径，实现在海洋环境干扰下运动规划中的避碰任务。与基于速度和角速度控制障碍函数的集群运动规划方法相比，所提方法的优点是能够在存在海洋环境干扰时规划出最优无碰撞风险集群运动路径。最后，将所提方法应用于无人艇集群正方形变成三角形的队形变换任务，并对有无鲁棒优化的情况进行对比，仿真结果验证了所提无人艇集群运动规划方法的有效性。
作者：	尹羿博
专业：	电气工程
导师：	彭周华;王丹
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022