海洋环境下UUV协同任务规划方法研究

摘要

在海洋环境下，UUV协同任务规划是一个智能系统在多约束条件下的规划问题，本文主要研究在UUV协同系统下解决多目标优化问题，合理的将任务分配给相应的UUV。在相应任务下达分配之后，UUV怎样在海洋环境下执行任务，本文深入开展了在多任务目标、通信时延、障碍物条件下对UUV协同任务预分配、任务重分配、UUV协同航路规划等方面研究。UUV协同任务规划的具体研究内容如下: 首先，针对海洋环境下UUV协同任务规划的重点问题进行分析讨论，介绍了任务分配的优化理论基础和任务分配模型;并构建了分布式体系结构、环境栅格模型、前置声呐模型;此外分析了UUV协同的通信环境，为后续的研究提供了基础。 其次，针对面向多任务目标优化的UUV协同系统任务规划问题，提出了一种基于市场机制的改进合同网优化算法。针对多目标优化函数设计的多蚁群算法与合同网优化算法相结合，结合本文设定的边界条件，研究了基于改进合同网优化算法的使命任务分配方法。最后，以传统的合同网算法和改进的合同网算法进行对比和以其中一台UUV发生故障为例进行仿真验证。仿真结果表明，该改进算法能够有效提高UUV协同系统的整体效能，使每个UUV均衡的承担具体任务。 再次，针对UUV协同在通信时延条件下任务分配问题，提出一种基于位置与速度双重冗余通信信息传输方式的方法。为了判别任务分配的时效性和系统的稳定性，UUV协同任务类型设置为形成一字编队，这样可以直观看出系统是否稳定收敛。然后根据状态误差建立误差方程矩阵，根据李雅普诺夫矩阵稳定性判定条件，判别UUV协同形成系统稳定收敛的边界条件。再在相同时延和不同时延的条件，建立仿真模型验证系统的稳定性。同时，根据速度状态信息缺失以及海流干扰的情况，设计仿真实例验证本章所设计的系统任务分配方法在时延情况下的有效性与稳定性。 最后，针对未知环境中的障碍物避碰问题，提出改进的人工势场法。首先根据前置声呐传感器获得的UUV周围环境信息，通过距离计算出空间碰撞危险度和时间碰撞危险度;再根据人工势场模型，建立引力势能函数和斥力势能函数，然后根据合力势能函数求取UUV运动方向，以确保UUV的安全，使UUV安全的通过障碍物区域。针对目标不可达点问题，提出改进的人工势场法，最后通过设计仿真实验，表明所设计的改进人工势场优化算法规划出来的航路能搜索到所有目标点，且能安全的避过障碍。