非结构化环境下多AUVs协调避碰技术研究

摘要

AUV作为一种高技术手段，在海洋环境监测、海底资源调查、科学考察、危险环境作业和打捞救生等方面起到了至关重要的作用。随着执行任务的复杂性日益增加，单AUV在大范围内作业的时效性、鲁棒性和柔性等方面就表现出明显不足。因此，需要多个AUV构成系统来共同完成任务。各个AUV之间相对位置检测、编队避碰以及对碍航物的规避，是任务完成过程中要解决的关键问题。本文针对水下通信相对困难，急停急转刹车时滞性严重的问题开展了多AUVs协调避碰的研究工作。 首先介绍了AUV的发展动态以及课题研究的意义，分析了实时避碰规划的发展现状和趋势，讨论了实时避碰规划的各种方法和它们各自的特点，并根据多AUVs协调避碰研究的需要建立了潜浮、横荡、纵荡和艏向四自由度动力学模型、避碰声纳视域模型和AUv的控制系统体系结构。然后在此基础上，研究了基于势场法的单AUV避碰规划，并分析了避碰规划中的势场陷阱问题和AUV的刹车时滞问题。最后，讨论了多AUVs的协调避碰问题。研究了基于危险阈值、基于Avoid-auv行为和动态传递优先级的三种避碰协调方法，并进行了多AUVs的避碰规划综合仿真验证。 研究和仿真结果表明：AUV动力学模型、体系结构和避碰声纳视域模型基本满足避碰研究的需要；改进的势场避碰算法有效、实时性好；多AUVs的避碰协调方法在解决AUV编队避碰避障的问题上合理可行，对于研究多AUVs的协调避碰具有一定的实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.2.3避碰算法介绍

1.3研究的目的及意义

1.4论文的主要工作

第2章AUV的模型及体系结构

2.1AUV动力学建模

2.1.1固定坐标系

2.1.2运动坐标系

2.1.3坐标系间的旋转变换

2.1.4动力学方程

2.2声纳模型的建立及信息处理

2.2.1声纳的视域模型

2.2.2碍航物目标识别

2.3AUV的体系结构

2.3.1群体体系结构

2.3.2个体体系结构

2.4本章小结

第3章AUV实时避碰算法研究

3.1避碰声纳的布置及探测

3.1.1避碰声纳的布置

3.1.2避碰声纳的探测

3.2势场法基本原理

3.2.1传统人工势场法

3.2.2改进人工势场法

3.3基于Avoid-obstacle行为的避碰规划

3.3.1势场法避碰仿真

3.3.2改进势场法避碰仿真

3.4势场陷阱及逃出办法

3.4.1陷阱状态监测

3.4.2WFM算法原理

3.4.3仿真结果及分析

3.5 AUV刹车时滞问题

3.5.1刹车时滞问题的产生

3.5.2刹车时滞问题的处理

3.5.3仿真结果及分析

3.6本章小结

第4章多AUVs避碰协调方法研究

4.1多AUVs避碰仿真系统

4.1.1多AUVs避碰仿真系统的组成及功能

4.1.2多AUVs仿真系统声纳仿真及避碰规划模块

4.2通信问题

4.3基于危险阈值的协调避碰

4.3.1危险阈值法原理

4.3.2仿真结果及分析

4.4基于Avoid-auv行为的协调避碰

4.4.1协调规则

4.4.2仿真结果及分析

4.5动态传递优先级的协调避碰

4.5.1基于KQML的信息交互

4.5.2优先级的确定

4.5.3仿真结果及分析

4.6本章小结

第5章多AUVs协调避碰综合仿真验证

5.1引言

5.2协调避碰综合仿真结果及分析

5.2.1基于危险阈值的协调避碰仿真实验

5.2.2基于Avoid-auv行为的协调避碰仿真实验

5.2.3动态传递优先级的协调避碰仿真实验

5.3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