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基于领导—跟随法的船舶编队算法研究
| 论文题名： | 基于领导—跟随法的船舶编队算法研究 |
| 关键词： | 船舶编队;领导-跟随法;快速行进平方法;路径规划;虚拟障碍势场法;局部避碰 |
| 摘要： | 近年来，为完成复杂的海上作业任务并提升海上运输效率，多艘船舶协同作业在工程中逐渐取代了单船作业，并得到广泛应用。船舶编队对保持多船协同作业的稳定性具有重要意义，其难点在于如何有效建立编队结构并保持队形的稳定。同时，船舶编队在海上作业的过程中也不可避免地受到外界环境的干扰和影响，当航行环境中出现如岛屿、暗礁等障碍物时，船舶需要独立的做出避碰决策以保障所有船舶航行时的安全。 针对上述问题本文基于领导—跟随法的船舶编队算法，与快速行进平方法的路径规划方法、虚拟障碍势场法的局部避碰方法相结合，提出了一种能够有效建立编队结构并有效保障所有船舶航行安全的算法。 本文主要的研究内容及成果如下： （1）研究了基于快速行进平方法的全局静态路径规划方法。首先，介绍了快速行进平方法的基本原理与算法流程；其次，基于快速行进平方法的特性将航行环境构建成二进制网格图，将图中属于障碍的单元格与可通行区域分别用不同颜色标记；然后，应用快速行进平方法对生成的地图进行迭代，得到速度势图与到达时间地图；最后，在整个的到达时间地图上基于梯度下降法构建出一条综合考虑了到达时间、平滑性和安全性方面的路径。 （2）采用了基于领导—跟随法的编队控制方法。首先，考虑到多船舶编队系统之间的通信关系，可以将该系统构建成图；其次，采用图论的相关理论，通过拉普拉斯矩阵描述船舶系统图中节点与边之间的关系；然后，针对该关系进行分析，并以此为依据计算出跟随者与领导者之间的相对误差距离，并通过消除该误差量实现跟随者船舶对领导者船舶的路径跟踪效果；最终，在MATLAB中构建仿真环境，将快速行进平方法与基于领导—跟随法的编队控制方法相结合，实验结果表明该方法能有效地为领导者提供一条安全的航行轨迹，同时整体队伍能够快速形成预设的队形并在接下来的航行中保持队形的稳定。 （3）提出了基于虚拟障碍势场法的局部避碰算法。首先，对传统的人工势场法进行分析，并指出其缺陷之处，即目标不可达问题和局部极小值问题；其次提出一种虚拟障碍势场法，该算法对势场公式进行更新，通过增加虚拟障碍物的方式解决了船舶航行中可能会进入局部极小值点位置的问题；然后，将虚拟障碍势场法与领导—跟随法相结合，结合后的方法能够有效地解决目标不可达问题；最后，通过MATLAB平台对所提出的算法进行仿真验证，实验结果表明当船舶在航行过程中遇到障碍物时可以及时地进行避碰操作，并在脱离碰撞风险后基于领导—跟随法快速地回归到原来的队伍中。 |
| 作者： | 李铭阳 |
| 专业： | 电路与系统 |
| 导师： | 赵毅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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