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欠驱动船舶路径规划及跟踪算法研究

张力行  
【摘要】:随着我国海洋战略的推进,对于船舶运动控制的研究有了新的时代意义,欠驱动船舶作为一种主要的船舶形式,是该领域的重要研究对象。本论文在船舶运动控制领域下,选定了欠驱动船舶作为研究对象,围绕路径规划与路径跟踪两个重要问题,提出了新的解决思路。在此基础上,本论文设计了视景仿真平台,用于船舶运动控制领域的模拟和演示。本论文取得了下列成果。(一)、研究了欠驱动船舶的路径规划问题。本论文设计了基于网格的路径规划算法,利用启发算法中的A*算法保证了寻路的效率。该方法通过对实际情境下的目标船舶和障碍船舶的合理的假设,引入了惩罚因子以及最短会遇距离的概念,将海上避碰规则结合至路径规划的算法中。之后,本论文对提出的路径规划算法进行了编程实现,并在此基础上对不同海域状况、不同的目标船舶和障碍船舶进行了仿真。仿真结果验证了所提出算法的有效性和快速性。(二)、研究了欠驱动船舶的路径跟随问题。本论文将船舶导航问题中经典的视线法与神经网络控制器相结合,提出了一种有效的控制方法。该方法首先讨论了视线法在不同路径条件下的视线法导航律的应用。之后,将该方法与基于增强学习的神经网络控制器相结合,考虑了输入舵角的饱和特性。作为一种无模型的控制方法,神经网络控制器很好地解决了欠驱动船舶的路径跟随问题,为这个问题提供了新的解决思路。最后,本论文将控制方案应用于生成的路径之中,取得了很好的仿真效果。(三)、设计并实现了船舶运动的仿真平台。结合具体的应用场景,本论文设计了轨迹生成,轨迹回放和操纵运动模拟三个主要功能。区别于现有的平台,本论文利用Unity平台实现了逼真的船舶和海洋环境的三维显示。在轨迹生成中,本论文建立了二阶的系统模型,生成了目标船舶位置和速度的参考轨迹;在轨迹回放中,本论文使用插值法获得了更为流畅的显示效果,并利用旋转卡壳方法实时计算了船舶间的距离;在操纵运动模拟中,本论文采用了MMG数学模型和龙格库塔方法,实现船舶状态的数值计算。


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