【摘 要】
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武器装备的无人化、智能化已成为当今武器装备发展的重要方向,作为重要的水面/水下无人化装备,各国对无人水下航行器（UUV）和无人水面航行器（USV）的研究以及两者的协同控制越来越深入。在UUV/USV等机器人相关技术中,路径规划与编队控制一直都是研究重点。本文针对面向指定海域的多UUV/USV系统,进行了路径规划和编队控制研究,包括以下几个方面:首先,针对多UUV/USV协同作业的军事需求,介绍多U
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武器装备的无人化、智能化已成为当今武器装备发展的重要方向,作为重要的水面/水下无人化装备,各国对无人水下航行器（UUV）和无人水面航行器（USV）的研究以及两者的协同控制越来越深入。在UUV/USV等机器人相关技术中,路径规划与编队控制一直都是研究重点。本文针对面向指定海域的多UUV/USV系统,进行了路径规划和编队控制研究,包括以下几个方面:首先,针对多UUV/USV协同作业的军事需求,介绍多UUV/USV协同作业的系统的体系结构,针对搜索过程中的海洋环境要素进行建模,建立UUV/USV动力学模型和运动学模型,仿真结果验证了模型的合理性和可行性。其次,对基于先验信息的全局路径规划问题进行问题描述和建模,提出了基于子区域分割的全局路径规划策略。提出性能指标用以评价规划的路径质量,并根据性能指标确定区域内的行走方式。为了减少路径的重复率,采用Boustrophedon分解法对搜索区域进行分解,将分解后的搜索子区域的连通问题转化为TSP问题采用A*算法来解决。然后,对基于声纳探测的局部路径规划问题,提出了滚动窗口法和改进人工势场法的融合算法。采用滚动窗口法对UUV有限探测范围内的环境进行建模,并在每个窗口内采用人工势场法进行实时、在线的路径规划。针对传统的人工势场法的局部极小值的缺陷问题,本文提出了虚拟目标点的改进方法,使得UUV可以跳出局部极小值困扰,实现可达目标的完整路径规划。通过设置优先级和改变速率的方法实现多UUV间的避碰。然后,设计了多UUV/USV的编队控制算法。对领航者采用视线法建立实际位置与规划路径的跟踪误差,采用S面控制器对误差进行镇定;在此基础上设计跟随者追随领航者的编队算法,设计滑模控制器对编队位置进行镇定,使跟随者的位置和速度可以收敛到期望值,仿真结果验证了算法的有效性。最后,设计了多UUV/USV协同探雷控制系统软件的功能模块,通过案例验证了设计的路径规划和编队控制算法的正确性和可用性。
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