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多UUV/USV路径规划及协同编队控制
| 论文题名： | 多UUV/USV路径规划及协同编队控制 |
| 关键词： | 无人水下航行器;无人水面航行器;武器装备;路径规划;编队控制;领航跟随法 |
| 摘要： | 武器装备的无人化、智能化已成为当今武器装备发展的重要方向，作为重要的水面/水下无人化装备，各国对无人水下航行器（UUV）和无人水面航行器（USV）的研究以及两者的协同控制越来越深入。在UUV/USV等机器人相关技术中，路径规划与编队控制一直都是研究重点。本文针对面向指定海域的多UUV/USV系统，进行了路径规划和编队控制研究，包括以下几个方面： 首先，针对多UUV/USV协同作业的军事需求，介绍多UUV/USV协同作业的系统的体系结构，针对搜索过程中的海洋环境要素进行建模，建立UUV/USV动力学模型和运动学模型，仿真结果验证了模型的合理性和可行性。 其次，对基于先验信息的全局路径规划问题进行问题描述和建模，提出了基于子区域分割的全局路径规划策略。提出性能指标用以评价规划的路径质量，并根据性能指标确定区域内的行走方式。为了减少路径的重复率，采用Boustrophedon分解法对搜索区域进行分解，将分解后的搜索子区域的连通问题转化为TSP问题采用A*算法来解决。 然后，对基于声纳探测的局部路径规划问题，提出了滚动窗口法和改进人工势场法的融合算法。采用滚动窗口法对UUV有限探测范围内的环境进行建模，并在每个窗口内采用人工势场法进行实时、在线的路径规划。针对传统的人工势场法的局部极小值的缺陷问题，本文提出了虚拟目标点的改进方法，使得UUV可以跳出局部极小值困扰，实现可达目标的完整路径规划。通过设置优先级和改变速率的方法实现多UUV间的避碰。 然后，设计了多UUV/USV的编队控制算法。对领航者采用视线法建立实际位置与规划路径的跟踪误差，采用S面控制器对误差进行镇定；在此基础上设计跟随者追随领航者的编队算法，设计滑模控制器对编队位置进行镇定，使跟随者的位置和速度可以收敛到期望值，仿真结果验证了算法的有效性。 最后，设计了多UUV/USV协同探雷控制系统软件的功能模块，通过案例验证了设计的路径规划和编队控制算法的正确性和可用性。 |
| 作者： | 周安琪 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 王军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南京理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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