原文传递
考虑实时避障的水面无人艇自主航行控制研究
| 论文题名： | 考虑实时避障的水面无人艇自主航行控制研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;实时避障;航行控制;自适应估计;哈密顿控制器 |
| 摘要： | 水面无人艇是一种多用途海面无人航行器，隶属于多域无人系统。多域无人系统主要特点体现在多域和无人，多域是指海陆空域联合，无人则强调的是单域系统自主性以及联合系统自主性。水面无人艇需要不断提升自主性，以满足系统各方面需求。自主航行是水面无人艇自主性核心能力，然而由于海面环境动态复杂多变，存在实时轨迹跟踪控制精度差、全局路径规划安全性低和局部避障决策规划适应能力不足等问题，使得如何实现实时避障的水面无人艇自主航行成为亟待解决的难题。 针对海面洋流变化和环境扰动，建立三自由度水面无人艇自主航行数学模型，在此基础上，设计洋流自适应估计律对洋流变化进行估计，搭建有限时间干扰观测器对环境扰动进行观测，进而构建端口受控哈密顿控制器进行补偿，从而实现水面无人艇高精度实时轨迹跟踪。 高精度实时轨迹跟踪的输入为安全平滑的实时避障路径，而安全平滑的实时避障路径的基本要求是规避海面静态和动态障碍物。同时全局路径规划主要功能是规避静态障碍物，人工势场法作为其中算法一种，其规划路径安全平滑，满足高精度实时轨迹跟踪，但其存在局部极小值缺陷。为解决上述问题，首先对静态障碍物圆形膨胀化处理；其次对局部极小值改进，构建转角公式；最后对复杂环境局部极小值改进，构造虚拟斥力势场，规避局部极小值。 局部避障决策规划主要功能是规避动态障碍物。首先建立双船域协同模型，增加场景适应能力，根据相遇船舶信息和国际海上避碰规则，准确实时识别态势；其次在外圆船域设计虚拟圆形斥力势场，引导水面无人艇安全柔顺避障，在内椭圆船域构建速度椭圆斥力势场，提高紧急情况路径安全性。 通过对水面无人艇轨迹跟踪、全局路径规划以及局部避障决策规划等方面进行研究，结合海洋环境与自主航行实时避障特点，在现有算法的基础上做出上述针对性改进。经过模拟仿真和理论分析，验证所提改进算法的可行性和有效性，并与相关文献算法对比，证明所提改进算法的优越性，最终实现在海洋环境中实时避障的水面无人艇自主航行。 |
| 作者： | 原张杰 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 孙明晓 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
检索历史
应用推荐
