【摘要】：避障問題是自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,即AUV)研究過程中的關(guān)鍵課題。由于作業(yè)環(huán)境的未知、多變等特性,AUV難于預(yù)先獲取其作業(yè)環(huán)境中的全部環(huán)境信息,因而無法使用基于先驗信息的路徑規(guī)劃算法。隨著研究的深入和技術(shù)指標(biāo)的提升,AUV的作業(yè)環(huán)境和所要完成的任務(wù)日趨復(fù)雜,AUV勢必朝向智能化發(fā)展,并具備對未知環(huán)境的適應(yīng)能力和獨立決策完成任務(wù)的能力。本文針對未知環(huán)境下的障礙物感知與3D重建、路徑規(guī)劃和AUV的避障等相關(guān)技術(shù)展開了研究。首先,建立避障系統(tǒng)中相關(guān)對象模型,包括AUV建模和機動障礙物運動建模。在大地坐標(biāo)系和隨體坐標(biāo)系下,分析AUV受力情況,對AUV進行運動學(xué)建模和動力學(xué)建模。建立水下機動障礙物的典型運動模型,并給出其運動學(xué)方程,研究基于Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波的障礙物狀態(tài)估計方法,設(shè)計機動障礙物運動狀態(tài)估計實驗,驗證該運動狀態(tài)估計方法的有效性。其次,針對前視聲吶探測數(shù)據(jù)中障礙物高度未知的問題,提出雙前視聲吶探測方法并分析其原理,為驗證該方法的可行性,設(shè)計雙聲吶探測實驗,以柵格法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法處理聲吶數(shù)據(jù),對障礙物進行3D重建,驗證該算法的可行性。再次,針對傳統(tǒng)人工勢場法(Artificial Potential Field,即APF)存在的三個問題進行分析和改進。闡述了快速擴展隨機樹法(Rapidly-exploring Random Tree,即RRT)的算法原理,對RRT算法中路徑搜索的無導(dǎo)向性進行改進,實現(xiàn)了對RRT算法的優(yōu)化。在APF算法中引入改進RRT算法,形成APF-RRT混合算法,解決了 APF算法中的局部極小值問題。設(shè)計復(fù)雜環(huán)境下的避障實驗,驗證混合算法的有效性。最后,搭建仿真平臺,設(shè)計AUV的避障策略,將APF-RRT混合避障算法應(yīng)用于AUV避障,設(shè)計AUV避障仿真實驗,仿真結(jié)果證明,該混合算法可以指引AUV安全通過障礙物。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U674.941
【圖文】：

在ＡＵＶ的研制方面，美國、英國、日本、挪威和法國等發(fā)達(dá)國家己經(jīng)進行了多年逡逑工作，開發(fā)出多個系列的ＡＵＶ產(chǎn)品，力圖加緊搶占深海開發(fā)領(lǐng)域的科研制高點。國內(nèi)逡逑也己經(jīng)有多家科研機構(gòu)進行了相關(guān)研究。逡逑１．２．１國外研究現(xiàn)狀逡逑美國在ＡＵＶ的研發(fā)方面起步最早、研究單位最多、技術(shù)水平最成熟、產(chǎn)品類型最逡逑齊全。主要研宄單位有：美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心、美國海軍研究所、伍茲霍爾海逡逑洋研宄所、蒙特利灣海洋研宄所、金槍魚機器人公司、麻省理工學(xué)院等。逡逑ＲＥＭＵＳ邋（Ｒｅｍｏｔｅ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ邋Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ邋Ｕｎｉｔｓ）系列邋ＡＵＶ邋是由伍茲霍爾海洋研宄逡逑所下屬海洋系統(tǒng)實驗室（Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ邋Ｌａｂ）開發(fā)的低成本ＡＵＶ，主要負(fù)責(zé)水逡逑文調(diào)查、生物跟蹤、反水雷、港口安全作業(yè)、環(huán)境測量、海上搜救、水下測繪、科學(xué)取逡逑樣和漁業(yè)作業(yè)等任務(wù)。逡逑２０１０年，ＲＥＭＵＳ邋６０００邋ＡＵＶ被用于法航４４７失事飛機搜索任務(wù)，共搜索了邋６０３６平逡逑方公里大西洋中脊區(qū)域海底，拍攝了邋８５０００個海底照片，成功確定了黑匣子所在區(qū)域？。逡逑

ｘ［ｍ］邐ｘ【ｍｌ逡逑圖１．３邋（ａ）水平避障仿真實驗結(jié)果邐圖１．３邋（ｂ）垂直避障仿真實驗結(jié)果逡逑蒙特利灣海洋研究所研制的Ｄｏｒａｄｏ系列ＡＵＶ直徑５３．３ｃｍ，根據(jù)任務(wù)需求進行配逡逑置，最短２．４ｍ，最長６．４ｍ。第一個Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ在２００１年年底完成，用來測量通過弗逡逑拉姆海峽流入北極盆地的水流量，并為后來的Ｄｏｒａｄｏ系列ＡＵＶ提供了模板。逡逑２０１２年，美國斯坦福大學(xué)的Ｓａｒａｈ邋Ｅ．Ｈｏｕｔｓ等人以Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ為載體，研究了崎逡逑嶇地形下基于地形匹配的避障算法，為證明算法的有效性，使用ＭＢＡＲＩ的測繪ＡＵＶ獲逡逑取的測繪數(shù)據(jù)進行仿真實驗，實驗結(jié)果證明，該算法可實現(xiàn)崎嶇地形下的地形跟隨［１１】。逡逑ｕｐ．邐圓■丨丨丨１丨丨丨，■■丨，丨．．．．酬圓丨．．．．．，逡逑－６２５邋０邐５００邋０邐５７５．０邐ＺＳ０．０邐１２５０邐００逡逑圖１．４邋（ａ）邋Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ及其拍攝的圖片邐圖１．４邋（ｂ）地形跟隨仿真實驗結(jié)果逡逑Ｉｖｅｒ系列ＵＵＶ是美國Ｏｃｅａｎ邋Ｓｅｒｖｅｒ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司開發(fā)的低成本微小型ＵＵＶ

邐圓■丨丨丨１丨丨丨，■■丨，丨．．．．酬圓丨．．．．．，逡逑－６２５邋０邐５００邋０邐５７５．０邐ＺＳ０．０邐１２５０邐００逡逑圖１．４邋（ａ）邋Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ及其拍攝的圖片邐圖１．４邋（ｂ）地形跟隨仿真實驗結(jié)果逡逑Ｉｖｅｒ系列ＵＵＶ是美國Ｏｃｅａｎ邋Ｓｅｒｖｅｒ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司開發(fā)的低成本微小型ＵＵＶ，具逡逑有魚雷型外形，續(xù)航能力約８小時，航行速度為ｌ－４ｋｎ。Ｉｖｅｒ系列ＵＵＶ可以作為在海洋逡逑環(huán)境中執(zhí)行各種測量任務(wù)的平臺，Ｉｖｅｒ邋３標(biāo)準(zhǔn)型ＡＵＶ在艏部搭載了邋Ｉｍａｇｅｎｅｘ邋８５２型前逡逑視聲響用于避障。Ｉｍａｇｅｎｅｘ８５２型前視聲卩內(nèi)波束寬度２．５邋ｘ２２，最大探測距離５０ｍ，最逡逑３逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2745206