基于人工势能场的水下滑翔机局部路径规划方法研究

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1、天津大学硕士学位论文基于人工势能场的水下滑翔机局部路径规划方法研究LocalPathPlanningforUnderwaterGlidersUsingArtificialPotentialFieldApproach学科专业：机械工程研究生：赵梦媛指导教师：吴芝亮副教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要水下滑翔机是一种依靠自身净浮力驱动的水下航行器，由于其耗能少、航程远、隐蔽性强等特点，近年来受到越来越多的关注。随着研究的不断深入，人们对水下滑翔机的智能水平要求越来越高，而路径规划是水下机器人自主能力的一个重要

2、体现，是保证顺利完成任务的重要前提。对于水下滑翔机的路径规划，其中最基本，同时也是最重要的要求是保证其在工作过程中的安全性。这是水下滑翔机控制中必不可少的一个环节，也是一直以来的研究热点之一。水下滑翔机路径规划包括全局性的水面出水点预设与水下局部路径规划两方面。对于未知海域，由于海底地理结构未知，容易出现水下滑翔机与水下障碍物发生碰撞的情况，造成机体损坏甚至丢失。为此，本文根据海洋观测任务特点，针对水下滑翔机运动特性，开展了基于人工势能场的水下滑翔机局部路径规划方法研究。论文的主要工作和成果如下：（1）海洋观测中，

3、若观测海域内存在障碍物且障碍物位于预设局部目标观测区域附近，现有措施通常为水下滑翔机放弃观测，造成观测数据不完整。本文通过采用修正势能函数，构造水下滑翔机与局部目标、障碍物间势能场，进行水下局部路径规划，解决了局部目标区域不可观测问题。（2）水下滑翔机的结构在一定程度上制约了它的运动能力。若忽略水下滑翔机的运动约束，规划出的路径可能难以执行，导致实际轨迹严重偏离目标轨迹，甚至有可能损坏机体。本文在运用人工势能场方法进行局部路径规划的同时，通过融合水下滑翔机自身运动约束，规划出满足水下滑翔机滑翔角与最小转弯半径限制的

4、安全、可行路径。（3）水下滑翔机避障过程中采取转弯运动需要依靠内部姿态调节滑块的转动来实现。为使水下滑翔机能够按照路径规划结果实现转弯运动，本文根据水下滑翔机动力学模型，进行水下滑翔机转弯运动过程受力分析，建立了转弯过程中虚拟向心力与实际向心力之间的映射关系，并推导出姿态调节滑块的转动角度与转弯半径之间的关系。据此，可通过改变姿态调节滑块的转角来获得理想的转弯半径，对于控制水下滑翔机的转弯运动具有重要的指导意义。关键词：水下滑翔机，路径规划，避障，人工势能场，运动约束ABSTRACTUnderwaterglider

5、isakindofunderwatervehiclesdrivenbyitsownnetbuoyancy.Becauseofitscharacteristicsoflessenergyconsumption,longerdistanceandbetterconcealment,ithasattractedmoreandmoreattentioninrecentyears.Asunderwatervehicletechnologyadvances,people'srequirementsforsmartunderwa

6、terglideraregettingdemanding.Pathplanningisimportantinautonomyimprovementforunderwaterrobots.Itisalsoaprerequisiteforsuccessfultaskaccomplishment.Forunderwatergliderpathplanning,oneofthemostbasicandthemostimportantrequirementsistoensuresafety.Therefore,achievi

7、ngacollision-freepathisanessentialpartinunderwaterglidercontrol.Thishasbeenattractingpeople’sattentionsincetheconceptofunderwatergliderwasbroughtforth.Pathplanningforunderwaterglidersinvolvestwoparts:globalwaypointsettingandlocalunderwaterpathplanning.Forunder

8、waterglidersoperatinginanunknownocean,itisquitepossiblethatthevehiclegetsdamagedorevenlostbycollidingwithunderwaterobstacles.Thisthesisfocusesonlocalpathplanningforunderwaterglider