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无人艇编队的实时路径规划及编队控制研究
| 论文题名： | 无人艇编队的实时路径规划及编队控制研究 |
| 关键词： | 无人艇编队;路径规划;自主避障;编队控制 |
| 摘要： | 水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV），作为一种具有自主导航、自主作业的水上平台，具有体积小、速度快、机动性强等特点，在军民领域也承着担越来越重要的任务。路径规划是目前关于水面无人艇的重要研究内容之一，也是无人艇实现智能化导航的关键技术。相较于单一无人艇，使用多艘无人艇组成编队协同合作，可以拓展它的任务区域，也能够提高整个系统的稳健性，确保预定任务能够顺利完成。在此背景下，本文对相关技术进行研究，并设计适用于动态环境的无人艇编队路径规划和自主避障算法，论文的主要工作如下： （1）提出了一种基于IRRT*的全局路径规划算法，对RRT*算法采样效率低，目标趋向性较差的问题，设计了改进IRRT*算法。改进IRRT*算法在原有RRT*算法的基础上，能够快速的生成可行路径，同时有效的缩小了采样面积并促进搜索树向目标生长，经过仿真验证，采样节点减少了14％，有效的提高了算法的搜索效率。接着将B样条函数应用于路径平滑处理，以改善了原有路径转折过大的问题，使其更符合水面无人艇运动学特性，提升了无人艇的全局路径规划算法的效率和性能。 （2）在传统动态窗口法的基础上，提出了一种考虑风浪影响的局部避障算法。结合水面无人艇实际的运行环境，将流场的影响具体化为评价函数，参与动态窗口法的更新，以实现了水面无人艇在有流场情况下的路径规划，通过仿真验证其在流场影响下路径规划的有效性。 （3）为了实现水面无人艇在复杂环境下的动态避障，提出了一种基于IRRT*和改进DWA的混合路径规划算法，对该算法与DWA算法进行仿真对比，验证混合算法的有效性。通过搭载雷达和组合导航系统的水面无人艇进行数据收集，进行半物理仿真实验。经验证本算法能够较好的对动态和静态障碍物进行避障，同时尽可能沿参考路径航行，成功规划出一条完整的路径。 （4）对于无人艇编队路径规划问题，提出了一种结合虚拟领航者的基于行为法，将水面无人艇编队的质心作为虚拟领航者，以避免真实领航者出现故障而导致编队失控的情况。通过设置编队内无人艇的基本行为，使其能够在保持队形的基础上具备自主避障能力。通过仿真实验对水面无人艇编队的路径规划与避障能力进行验证，证明在编队成员数目较多时，该方法能够维持一定队形，并且有着良好的避障能力。 |
| 作者： | 张啸天 |
| 专业： | 仪器科学与技术 |
| 导师： | 陈熙源 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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