无人艇海洋测量区域全覆盖路径规划算法与岸基监管系统研究

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海洋测量对我国社会经济、国防军事的发展具有非常重要的意义,传统海洋地形测量数据主要采用有人船搭载测量设备获取。针对传统测量方式的效率、安全性无法满足日益增长测量需求的问题。本文以无人艇为研究对象,对无人艇海洋测量区域全覆盖路径规划算法与岸基监管系统做出研究,针对无人艇开展海洋测量任务的需求,本文从无人艇运动模型构建、海洋测量区域全覆盖路径规划以及监管系统等方面进行研究,主要完成工作如下:(1)根据无人艇六自由度运动学与动力学关系,构建无人艇三自由度运动模型,采用响应型建模的方法,建立描述本文研究无人艇控制输入输出关系的一阶线性响应模型为后续在监管系统中进行测量区域无人艇运动轨迹模拟打下基础;通过本文研究无人艇的艇体参数,进行回转仿真实验,为无人艇海洋测量区域构建栅格地图提供条件。(2)将无人艇操纵性能约束纳入考量,建立栅格环境模型;通过分析灰狼优化算法,提出了一种基于改进灰狼优化算法的海洋测量区域全覆盖路径规划算法。针对传统灰狼优化算法求解复杂问题时初始种群位置分散程度不均,使用Skew Tent混沌序列代替随机产生初始种群,提高算法的全局搜索速度;更新收敛因子时引入非线性变化的正弦分段函数,提高算法收敛速度;引入了动态权重调整策略和粒子群算法个体记忆方程,增强灰狼历史最优解和全局最优解对其行走方向的引导作用,降低非最优解对灰狼个体进行位置更新的误导作用,从而避免算法陷入局部最优解。(3)根据无人艇岸基监管系统的实际功能需求,对无人艇岸基监管系统进行功能模块设计及实现。采用TCP无线通信与无人艇进行数据上传和指令下发;设计数据显示界面与加载电子地图,实现无人艇执行海洋测量任务的关键数据可视化;为实现测量区域全覆盖任务航线的设置及其测线误差计算,完成航行管理模块的开发;开发岸基模拟模块,在无人艇正式出航之前开展相应的模拟测试,降低无人艇执行任务的风险。(4)通过使用自主研发的无人艇在实际海域进行海试,结果显示本文设计开发的岸基监管系统能够对无人艇状态进行实时可视化展示,构建的无人艇运动模型能较好的描述无人艇运动状态;在此基础上提出的区域全覆盖路径规划算法,提高了最优路径搜索速度,可以快速找到最优的海洋测量航线;岸基仿真模块对海洋测量航线进行的运动轨迹模拟与真实测量航迹偏差较小,验证了本文提出的无人艇海洋测量区域全覆盖路径规划算法与岸基监管系统的可行性和可靠性。
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