基于能耗最优的喷水推进无人艇路径规划方法研究

摘要

随着全球能源消耗的增加，以及陆上资源的日渐枯竭，海洋资源的开发利用逐渐受到人们的重视。无人艇的研究恰好迎合了这方面的需求，一方面无人艇作为一种海上智能平台被广泛应用于海洋资源开发;另一方面无人艇也加入到了各国海上安全防卫的工作中。路径规划技术是实现无人艇智能化的重要一环，本文旨在研究以能耗最优为约束的无人艇路径规划技术，其中包含了如下研究内容:
　　1.为分析无人艇在海上作业时的能耗大小，首先建立无人艇运动的数学模型，其中包含了无人艇的运动学以及动力学模型，此外还需建立海洋环境的数学模型，以及动力装置喷水推进器的数学模型。综合上述模型对无人艇的能耗进行分析计算。
　　2.首先对S57标准的电子海图信息进行提取并转换成路径规划所需的数据格式，通过可视图法建立环境地图模型。然后分析无人艇在风浪等环境力作用下的能耗计算方法。而后改进传统蚁群算法易陷入局部最优解的缺陷，重新设计局部启发函数。在此基础上加入风和浪等干扰，并以能耗最优为目标改进信息素函数，进行以能耗最优为目标的全局路规划，同时与路径最短的全局规划进行对比。
　　3.采用一种改进的人工势场法进行局部路径规划，对动态的障碍物进行规避。首先针对人工势场法中存在的局部极小值问题，提出一种旋转磁场的方法对引力函数进行改进。而后改进斥力函数，解决目标不可达问题。在得到改进的人工势场法后，将其与矢量的环境场相结合，最终形成时变海况下的能耗节省的规划技术。
　　4.设计一种双层的路径规划方法。全局层采用基于能耗最优的蚁群算法进行规划，局部层采用人工势场法并结合时变海况，最终实现了全局规划与局部规划的协调切换，形成一套完整的以能耗最优为目标的路径规划方法。
　　本课题研究以能耗最优为约束的无人艇路径规划技术，其中包含了对喷水推进无人艇能耗的分析计算，并以能耗最优为目标设计蚁群算法进行全局路径的规划，将改进人工势场法结合时变海况进行局部路径的规划，最后设计一种双层路径规划的方法，将全局规划与局部规划协调切换，最终实现以能耗最优为目标的路径规划。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景与意义

1．2无人艇的国内外研究现状

1．2．1无人艇的国外研究现状

1．2．2无人艇的国内研究现状

1．3无人艇路径规划技术国内外研究现状

1．3．1无人艇路径规划技术国外研究现状

1．3．2无人艇路径规划技术国内研究现状

1．4论文研究的主要内容

第2章喷水推进无人艇的运动数学模型及能耗模型

2．1参考坐标系

2．2．1无人艇运动学模型

2．2．2无人艇动力学模型

2．2．3无人艇数学模型的验证

2．3喷水推进器的数学模型

2．3．1喷水推进的基本原理

2．3．2喷水口流速分析

2．3．3推进器推力分析

2．3．4喷水推进器的数学模型验证

2．4喷水推进无人艇的能耗模型

2．4．1喷水推进无人艇的能耗模型

2．4．2无人艇的能耗模型的验证

2．5本章小结

第3章基于能耗最优的无人艇全局路径规划

3．1问题描述

3．2环境地图模型的建立

3．2．1基于电子海图的规划空间生成

3．2．2基于可视图法的环境地图建模

3．3．1海浪和海流的推算

3．3．2环境干扰力对能耗影响的分析

3．4．1蚁群算法局部启发函数的改进

3．4．2基于能耗最优改进的信息素函数

3．4．3蚁群算法的实现与仿真

3．4本章小结

第4章环境场与人工势场合成下无人艇的局部路径规划

4．1问题描述

4．2人工势场法概述

4．3．1局部极小值问题的解决

4．3．2目标不可达问题的解决

4．4矢量环境场与人工势场合成下的能耗分析

4．4．1矢量环境场的建立

4．4．2矢量环境场与人工势场的合成及能耗分析

4．5．1无人艇单动态障碍物的局部路径规划仿真

4．5．2无人艇多动态障碍物的局部路径规划仿真

4．6本章小结

第5章基于能耗最优的无人艇双层路径规划的设计与实现

5．1问题描述

5．2无人艇双层路径规划的设计

5．2．1无人艇双层路径规划的结构设计

5．2．2无人艇双层路径规划的算法设计

5．2．3双层路径规划算法收敛性的分析

5．3．1基于路径最短的双层路径规划仿真实现

5．3．2基于能耗最优的双层路径规划仿真实现

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