現(xiàn)如今,隨著科技水平的發(fā)展,許多領(lǐng)域的研究趨向于自動(dòng)化控制,并且研究的領(lǐng)域不僅僅局限在陸地空間,更多的是對(duì)天空中和海洋上自動(dòng)化設(shè)備的研究。無(wú)人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),并且研究趨勢(shì)已從單一無(wú)人艇向多無(wú)人艇技術(shù)拓展,發(fā)展勢(shì)頭迅猛。相比單一的無(wú)人艇控制,多無(wú)人艇的工作效率更高,容錯(cuò)性更好,并且適應(yīng)能力更強(qiáng)。本文針對(duì)多無(wú)人艇一致性編隊(duì)控制展開(kāi)研究,主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究:第一,建立噴水推進(jìn)無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,仿真模擬無(wú)人艇運(yùn)行狀態(tài),為后續(xù)多無(wú)人艇編隊(duì)控制研究打下基礎(chǔ)。首先,從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面搭建無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,同時(shí)建立無(wú)人艇航行的海洋環(huán)境模型。其次,搭建噴水推進(jìn)模型,分析噴水推進(jìn)器產(chǎn)生的推力對(duì)無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。最后,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所搭建的無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型對(duì)后續(xù)仿真應(yīng)用的有效性。第二,提出一種基于行為法的領(lǐng)航-跟隨編隊(duì)控制方法,對(duì)多無(wú)人艇一致性進(jìn)行研究。首先,分析了領(lǐng)航-跟隨編隊(duì)控制方法容錯(cuò)度低、基于行為法的編隊(duì)控制方法不適用于復(fù)雜編隊(duì)情況的特點(diǎn)。其次,分別設(shè)計(jì)無(wú)人艇整體中領(lǐng)航艇和跟隨艇的基本行為,使之可以完成隊(duì)形形成、隊(duì)形保持和躲避障礙物等任務(wù),將基于行為法和基于領(lǐng)航-跟隨的兩種編隊(duì)控制方法相結(jié)合,提出了一種基于行為法的領(lǐng)航-跟隨的編隊(duì)控制方法。最后,仿真驗(yàn)證了多無(wú)人艇在無(wú)障礙物的情況下,做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的編隊(duì)控制,證明提出的新的編隊(duì)方法具有可行性和有效性。第三,采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法,對(duì)編隊(duì)控制中無(wú)人艇的基本行為權(quán)重參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先,分析了標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化算法在迭代過(guò)程中容易陷入局部最優(yōu)解而出現(xiàn)早熟現(xiàn)象。其次,提出結(jié)合差分進(jìn)化算法的方式,來(lái)改變粒子群中下一代產(chǎn)生的機(jī)制,解決收斂速度慢的問(wèn)題,同時(shí)也提高了收斂的準(zhǔn)確度。最后,通過(guò)仿真對(duì)比,證明了改進(jìn)后的粒子群優(yōu)化算法性能更佳,同時(shí)采用優(yōu)化后的基本行為權(quán)重參數(shù)進(jìn)行多無(wú)人艇編隊(duì)控制的仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,優(yōu)化后的無(wú)人艇能更好的完成編隊(duì)任務(wù),避開(kāi)障礙物、保持隊(duì)形和保持目標(biāo)一致性。第四,為了使無(wú)人艇能夠在復(fù)雜海洋環(huán)境下保持一致性并完成編隊(duì)控制任務(wù),采用改進(jìn)后的人工勢(shì)場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)多無(wú)人艇的避碰行為。首先,分析了傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法存在目標(biāo)不可達(dá)和容易陷入局部極小值的問(wèn)題。其次,在引力勢(shì)場(chǎng)中加入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),以及在斥力勢(shì)場(chǎng)中加入新的函數(shù),通過(guò)對(duì)引力勢(shì)場(chǎng)和斥力勢(shì)場(chǎng)的改進(jìn),完成對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后,采用改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法分別模擬了多無(wú)人艇在靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物的兩種海洋環(huán)境下執(zhí)行編隊(duì)任務(wù)的情況。綜上所述,本文重點(diǎn)研究多無(wú)人艇在保持一致性狀態(tài)下完成編隊(duì)任務(wù)的編隊(duì)控制新方法,提出基于行為法的領(lǐng)航-跟隨編隊(duì)控制方法,在此基礎(chǔ)上采用改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化無(wú)人艇的基本行為權(quán)重參數(shù),最后引入改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法,實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)障礙物環(huán)境和動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境下基于避碰行為的多無(wú)人艇編隊(duì)控制,并且取得了較好的效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：U664.82;TP273
【部分圖文】：

續(xù)又研發(fā)出“Spartan” USV(如圖 1.1)[45]，該 USV作戰(zhàn)能力，運(yùn)用了更先進(jìn)的的任務(wù)模塊。以色列對(duì)先行列，在 2003 年研制出了“保護(hù)者”號(hào)無(wú)人艇具有的特性外，又新增加了隱身功能。UMV-H 型隊(duì)研發(fā)，被應(yīng)用到監(jiān)測(cè)無(wú)人艇航行的海洋環(huán)境，此等設(shè)備，為后續(xù)的研究提供有力的實(shí)際理論。圖 1.1 “Spartan”號(hào) USV

做直航運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬仿真，研究不同推力大出構(gòu)建的無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律隊(duì)控制的分類(lèi)和方法，混合領(lǐng)航-跟隨方法和基于新的編隊(duì)控制方法。領(lǐng)航者和跟隨者在被規(guī)定了權(quán)得到最終的行為輸出，以此來(lái)執(zhí)行編隊(duì)任務(wù)。準(zhǔn) PSO 優(yōu)化算法，考慮到粒子群算法的缺陷和不法結(jié)合成組合優(yōu)化算法，解決了單獨(dú)運(yùn)用粒子群優(yōu)的停滯現(xiàn)象。針對(duì)前一章節(jié)提出的編隊(duì)控制方法中對(duì)比優(yōu)化前后的多無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)路徑。多無(wú)人艇在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的安全問(wèn)題，針對(duì)多無(wú)人艇來(lái)實(shí)現(xiàn)避碰行為。首先分析傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)存在，具體操作是加入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)到引力勢(shì)場(chǎng)函數(shù)中以及圖 1.3 所示，

第 2 章 噴水推進(jìn)無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型章 噴水推進(jìn)無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)艇在海面航行的仿真需求，根據(jù)機(jī)理法建立噴可以從兩個(gè)方向入手建立，一是運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，艇運(yùn)動(dòng)情況；從動(dòng)力學(xué)方向分析無(wú)人艇在航行調(diào)節(jié)當(dāng)前的位置和姿態(tài)。為了研究噴水推進(jìn)器推進(jìn)器模型進(jìn)行仿真研究。標(biāo)系面上的航行，首先從建立坐標(biāo)系入手，北東坐標(biāo)系原點(diǎn)O是在海。平面隨機(jī)選取的一點(diǎn)，XO分別指向正北方向和正東方向。Z 軸指向地如圖 2.1 所示為北東坐標(biāo)系。
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本文編號(hào)：2875244