水面无人艇基于优化的协同策略及实现的初步研究

摘要

近年来，海洋权益及海洋环境保护问题日益突出，无人水面艇（USV）作为信息化及智能化的产物，可以广泛应用于环保监测、科研勘探、水下测绘、搜索救援、安防巡逻乃至军事应用领域，其研究受到了普遍重视。但是单艘艇艇载设备有限，只能完成简单任务，使用多艘无人艇进行协同任务可以有效克服单艘艇的任务能力限制。多艘无人艇通过搭载不同模块和设备，可以充分获取宽广海域的信息，分工协作完成任务，增强了海上自主系统的多样性，提高了作业的整体效能。国内在无人艇协同系统及协同作业策略的研究方面几乎空白，本文基于此现状进行了如下的研究工作：
　　（1）设计并制作了一种艇型优良且具有协同功能的双体船，对该船的操纵系统，推进系统进行了设备的选型和设计分析。选取了基于 windows系统的XP-8741型PAC作为该船的核心控制器，用C++编写了智能控制系统程序实现了该船的半自主规划航行。
　　（2）基于遗传算法，考虑到无人艇实际航行中的转弯过程，对无人艇从起点位姿状态（位置和艏向角）转换到终点位姿状态（位置和艏向角）的路径优化问题进行了探讨，提出了一种CLC路径规划策略，建立了两个航点间的路径优化数学模型，进行了路径优化情况的分析，并编写了两点间路径优化仿真平台软件，验证了该优化数学模型的可行性。
　　（3）对基于优化的无人艇协同策略进行了探讨和分析。基于层次分解策略将协同搜索分为任务分配和路径规划两个子问题，其中任务分配采用基于分层模糊评判的方法进行求解，路径规划根据搜索的方式不同，在覆盖式搜索方式下采用沿着任务区域长边，即能耗最小的路径搜索方法进行求解，在非覆盖式搜索方式下基于概率图预测规划的航点，将其转换为TSP路径的优化问题进行求解。同时，本文提出了一种基于路径参数协同的编队控制策略。
　　（4）完成了一种基于概率图预测的协同搜索任务场景的实验，基于贝叶斯定理更新概率图，且在实验的过程中，展示了协同系统的操作方法和步骤，验证了协同系统的可靠性。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 选题的理论意义和实用价值

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文研究内容

1.5 本章小结

第2章 协同技术基础

2.1 引言

2.2 嵌入式系统

2.3 通信网络技术

2.4 智能控制技术及控制体系

2.5 高性能艇型

2.6 避碰

2.7 任务规划

2.8 本章小结

第3章 基于优化的协同策略

3.1 引言

3.2 优化方法

3.3 单艘艇的路径规划

3.4 协同搜索

3.5 协同编队

3.6 本章小结

第4章 船模选型设计与安装

4.1 引言

4.2 艇模选型设计与制作

4.3 推进系统设计

4.4 操纵系统设计

4.5 本章小结

第5章 智能控制系统设计

5.1 引言

5.2 核心控制器

5.3 导航定位模块

5.4 避碰模块

5.5 通信模块

5.6 电源模块

5.7 半自主规划航行系统

5.8 本章小结

第6章 协同策略实现的初步研究

6.1 引言

6.2 基础性实验

6.3 基于概率图预测的协同搜索试验

6.4 本章小结

第7章 优化软件简介

7.1 引言

7.2 开发平台及开发语言

7.3 两点间的路径优化仿真平台

7.4 基于概率图预测的TSP路径优化程序

7.5 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 论文工作总结

8.2 论文工作展望

参考文献

附录1 路径规划模块部分代码

附录2 协同软件系统main函数部分代码

附录3 协同软件系统TSP模块部分代码

攻读硕士学位期间所发表的学术论文和取得的科研成果

致谢