基于优化理论的多AUV协同任务规划方法研究

摘要

多AUV协同任务规划是一个复杂的多约束多目标优化问题，主要研究在满足各类约束条件下，合理的将任务分配给有能力的AUV。在任务分配之后，规划每艘AUV在未知环境下执行任务时的航行路径。对于多AUV的研究越来越成为研究者关注的焦点。本文深入开展了对多AUV协同任务预分配、任务重分配、多AUV航路规划等研究。多AUV协同任务规划的大体框架包括以下方面:
　　首先，介绍多目标优化理论基础和AUV体系结构，选择分布式多AUV体系结构来对整体系统进行设计。阐述任务规划的相关元素，对多AUV协同任务规划进行描述和建模，为后续的研究提供了坚固的基础。
　　其次，研究了基于改进合同网优化算法的多AUV协同任务分配问题。对AUV在协同任务分配问题进行了详细描述，结合本文设定的约束条件，考虑任务环境发生变化的情况，以AUV发生故障为例，研究了基于改进合同网优化算法的任务预分配及其任务重分配技术。针对投标的公布和多个招标者并存的情况，引入任务负载指标进行改进。仿真结果表明，该改进算法是可行的，并且能够有效提高整体效能及其使AUV承载整体任务负载变均匀。
　　再次，研究了基于改进人工势场优化算法的多AUV航路规划问题。由于在未知环境下，探测障碍物需要对AUV建立环境模型。障碍物的位置是随机的，有可能分布比较密集。很可能出现目标不可达和局部极小值问题。设计新的斥力场函数对斥力场函数进行改进可以解决不可达问题。引入任意的（0-π/2）旋转角度可以解决局部极小值问题。对于以上改进，不仅同时解决了局部极小值问题和目标不可达问题，而且保留了人工势场算法原有的优点，仿真结果表明，该算法是可行的。在未知环境下，本章所设计的改进人工势场优化算法规划出来的航路是非常平滑，且能安全的避过障碍。
　　最后，基于matlab的GUI界面开发，设计了多AUV协同任务规划仿真系统的仿真平台。在该平台上对异构型多AUV协同任务规划的仿真实验。通过分析表明，将二个改进优化算法应用多AUV协同任务规划，具有较强的寻优能力及有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2研究现状

1．2．1多AUV任务规划研究现状

1．2．2任务规划算法的研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章多AUV协同任务规划问题分析

2．1引言

2．2多目标优化理论基础

2．3 AUV与任务关系描述

2．4AUV体系结构

2．5多AUV协同任务规划模型

2．5．1多AUV协同任务分配问题描述

2．5．2多AUV航路规划问题描述

2．6本章小结

第3章基于改进合同网优化算法的多AUV协同任务分配

3．1引言

3．2任务分配函数模型

3．3任务分配准则

3．4任务重分配

3．5合同网算法

3．5．1合同网算法的基本思想

3．5．2合同网算法的任务协商过程

3．6基于改进合同网优化算法的多AUV协同任务分配设计

3．6．1改进合同网算法设计

3．6．2多AUV协同任务分配流程

3．7仿真验证

3．7．1案例一

3．7．2案例二

3．7．3案例三

3．8本章小结

第4章基于改进人工势场优化算法的多AUV航路规划

4．1引言

4．2环境模型

4．2．1多波束声呐模型

4．2．2障碍物模型

4．3．1人工势场法的基本思想

4．3．2人工势场算法模型的建立

4．4基于改进人工势场优化算法的多AUV航路规划设计

4．4．1改进人工势场优化算法设计

4．4．2多AUV航路规划流程

4．5仿真验证

4．5．1案例一

4．5．2案例二

4．5．3案例三

4．5．4案例四

4．6本章小结

第5章多AUV协同任务规划仿真系统

5．1引言

5．2多AUV协同任务规划仿真系统设计

5．2．1仿真系统界面设计

5．2．2多AUV协同任务规划系统结构

5．2．3多AUV协同任务规划流程

5．3多AUV协同任务规划仿真

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢