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复杂海洋环境下水下滑翔机路径规划研究
| 论文题名： | 复杂海洋环境下水下滑翔机路径规划研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;路径规划;位置估计;海洋环境场 |
| 摘要： | 水下滑翔机(UnderwaterGlider)是一种新型自主水下航行器，因其效费比高和续航能力强等特性，在海洋科学研究中被证明具有重要应用前景。水下滑翔机通过改变净浮力作为动力，这种运动原理使得它对海流非常敏感，而且，其滑翔航行对自身所处任务海域深度具有一定要求。因此，在穿越时变海洋流场和复杂海底地形耦合海域时，合理可靠的路径规划对于水下滑翔机的安全运行至关重要。本文以我国自主研发的“海燕-L”号长航程水下滑翔机为研究对象，针对其在海流和海底地形都比较复杂的海洋环境中的路径规划问题，提出一种适用于水下滑翔机且引入沃罗若依图的D*(D*foranunderwatergliderintroducingVoronoidiagram,UG-VD*)路径规划改进算法。主要研究内容和成果如下： (1)基于新构建的复杂海流与海底地形耦合海洋环境模型，提出了UG-VD*路径规划算法。首先在公共资源网站获取海洋流场和海底地形信息，并对查询获取的“稀疏”数据进行插值重构预处理；分别建立海洋流场模型和海底地形模型，融合形成复杂海流与海底地形耦合海洋环境模型，作为后续UG-VD*路径规划算法的地图。基于水下滑翔机的工作原理和运行特点对传统D*路径规划算法的启发式函数、搜索方式进行改进，将海流信息加入到启发式函数中，同时将沃罗若依图用于UG-VD*路径规划算法中，最后通过仿真试验验证了UG-VD*路径规划算法的有效性和安全性。 (2)结合水下滑翔机动力学分析，提出了基于深度平均流的水下滑翔机水下位置估计新方法。利用水下滑翔机向岸基操控指挥中心传回的短帧信息，对其水域的深度平均流进行计算；通过水下滑翔机的动力学分析，计算其在水中的滑行速度。将深度平均流与水下滑翔机速度进行矢量求和，并在时间上进行累加，以此完成水下滑翔机的水下位置估计。经计算比较，新方法估计精度比基于水下滑翔机动力学的水下位置估计精度提高约89.1%。 (3)利用“海燕-L”号长航程水下滑翔机在经过吕宋海峡时的海上试验数据对UG-VD*算法进行了成功验证。在二维层面上，分别通过传统D*算法仿真和UG-VD*算法仿真模拟水下滑翔机的轨迹，并通过引入模拟轨迹与实际海上试验轨迹之间的面积大小来量化比较两种路径规划方法的效果，经比较，UG-VD*算法仿真轨迹与拟合实际轨迹所围成的面积比传统D*算法减小约44.6%。在三维层面上，利用基于深度平均流的水下位置估计方法对“海燕-L”号长航程水下滑翔机三维轨迹进行模拟，模拟轨迹在水平方向上到障碍物的最短距离为13.2km，竖直方向到障碍物的最短距离为381m。海上试验对比结果验证评估了本文提出的UG-VD*算法在同时考虑海流和海底地形等复杂海洋环境中的水下滑翔机路径规划的安全性和适用性。 综上，在海流和海底地形都比较复杂的海洋环境中，与传统的D*路径规划算法方法相比，新改进的UG-VD*算法在规划最短路径的基础上，能够利用对自身前行有利的海流，且更加远离障碍物，具有更好的安全运行性能。通过海上试验验证评估结果也表明，该方法相对于传统的D*路径规划算法具有更好的实用性和安全性。 |
| 作者： | 高维强 |
| 专业： | 海洋智能装备 |
| 导师： | 杨绍琼;辛爱学 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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