【摘 要】
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随着科技的发展,人们对海洋的开发程度也逐渐深入,为应对不同的任务需求各类不同功能的海洋机器人应运而生。因为环境监测与侦察、地形探测、反水雷、反潜等任务需求,具备区域覆盖能力的水面无人艇也逐渐成为海洋机器人的一个重要研究领域。本文针对水面无人艇区域覆盖任务提出了一套水面无人艇完整的路径规划跟踪控制策略,根据任务需求,主要将本文划分为任务海域环境建模、覆盖式任务路径规划、轨迹优化及路径跟踪控制四个方面
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随着科技的发展,人们对海洋的开发程度也逐渐深入,为应对不同的任务需求各类不同功能的海洋机器人应运而生。因为环境监测与侦察、地形探测、反水雷、反潜等任务需求,具备区域覆盖能力的水面无人艇也逐渐成为海洋机器人的一个重要研究领域。本文针对水面无人艇区域覆盖任务提出了一套水面无人艇完整的路径规划跟踪控制策略,根据任务需求,主要将本文划分为任务海域环境建模、覆盖式任务路径规划、轨迹优化及路径跟踪控制四个方面,主要内容如下所示:（1）在实际任务海域的背景下,对二维的水面环境进行离散化,构建栅格地图,使得环境地图能够更好的与路径规划算法结合,并对障碍物进行膨胀化处理,便可将被控对象记为一个抽象点,并保证规划路径的安全性。（2）针对覆盖式任务路径规划需求,在原有生物激励神经网络算法（BINN）的基础上引入模板模型法和跳点算法解决原算法毗邻障碍物时无法完全覆盖及锁死问题,为应对任务需求以及丰富算法的功能性,引入孤岛型障碍物模板,使得算法优先环岛覆盖侦测,且算法具备优先覆盖特定海域的能力并解决了障碍物消失问题。经与原算法以及A*全覆盖路径规划算法对比仿真实验,证明了本文改进后的路径规划算法在保证覆盖率100%的前提下,提高了全覆盖路径规划的效率,缩短了路径长度,降低了路径重复率。（3）针对路径规划转弯处不平滑问题,本文引入Minimum Snap算法对转弯处的轨迹进行优化,引入安全走廊概念解决优化路径不理想问题,并加入引导函数使得最终优化路径平滑且接近于原始轨迹。通过轨迹优化算法仿真实验,证明本文算法能够保证水面无人艇在安全行驶的前提下,以最小能耗代价完成转弯等运动。（4）为应对实际海况下作业需求,从漂角与前进速度为出发点设计了基于模型预测控制的路径跟踪控制器,并加入了洋流扰动模型,验证了算法的鲁棒性。通过有扰动轨迹跟踪控制仿真实验能够使水面无人艇在有洋流扰动情况下依然能够准确沿既定路线完成覆盖任务,结果充分证明了本文路径跟踪控制策略的有效性、适应性以及工程实用性。经过多个针对性仿真实验可证明在本文环境建模的基础上设计的路径跟踪算、轨迹优化算法以及路径跟踪控制算法能够在保证全覆盖前和能量最优前提下,更快速高效完成区域覆盖任务,充分证明了本文设计的总体系统的优越性及有效性。
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