面向水下自主航行器回收的路径规划研究

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近年来自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)以其使命自主、便捷布放、改装空间大等优点在一系列水下潜器中脱颖而出,成为完成各类水下任务的首选设备。在回收任务中实现自主导航对接是AUV必备的能力,由于海洋环境的复杂多变特性还有AUV自身携带能源的限制,设计一条归航路径能够同时满足避障需求和提高AUV续航能力就显得十分关键,对保障回收对接成功具有重要意义。针对传统AUV路径规划中模型过于简单导致实际规划能力差、特异性研究不足导致无法应用于回收任务等问题,本文进行了深入研究。基于实验室参与研制的小型AUV与水下静基座回收对接平台,通过分析回收过程中不同阶段对路径规划的具体要求,将回收过程中的路径规划分为三个子问题分别研究,提出一种面向AUV回收对接的路径规划方法。主要研究内容如下:首先,针对全局路径规划中存在的海流干扰问题,提出基于AUV能耗模型融合不规则海流的航行能耗代价函数;针对传统路径规划方法中过早收敛路径曲折的问题,提出基于飞蛾焰火算法的路径更新机制,避免陷入局部最优、提高全局搜索能力,完成基于已知海洋环境信息的全局路径规划。通过设计对比仿真实验,验证了方法的可行性。然后,针对存在未知复杂运动障碍物威胁的实时避碰问题,利用扩展卡尔曼滤波算法对前视声呐传感器获取的障碍物状态信息进行状态估计和轨迹预测,判断AUV与障碍物的碰撞风险。采用同时调节航向和航速的复合避碰策略,提出基于速度矢量合成的规划方法,实现高效的实时避碰完成在线路径规划。通过设计不同环境下仿真实验,验证了方法的可行性。最后,针对回收任务末段对接口对AUV的对接艏向约束问题,提出基于改进人工势场法的导引路径规划方法。通过在对接口中心沿线后方设置虚拟球形斥力场,并设计引力场分段函数,使AUV从任意方向接近对接平台都可以沿光滑弧形路径到达对接口中心沿线上,提高对接成功率。通过设计仿真实验,验证了方法的可行性。
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