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智能水下机器人的实时避碰策略和全局路径规划研究

作　者: 陈永明
导　师: 万磊
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 智能水下机器人局部避碰全局路径规划
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 359次
引　用: 2次
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内容摘要

在海洋环境下，规划与避碰应该考虑水下机器人的动力学特性、海流以及水下障碍物的非结构化特性等。本文系统地研究了海洋环境下智能水下机器人的全局路径规划和实时避碰策略问题，并针对上述问题提出了自己的观点及方法。本文基于水下机器人的动力学方程，提出了在海洋环境下基于水下机器人动力学特性的实时模糊避障规划方法。该方法以水下机器人与障碍物的相对位置和相对速度、海流的大小与方向及水下机器人的姿态作为输入，水下机器人下一时刻的期望(角)速度作为输出。该方法在避碰规划中考虑了水下机器人的动力学特性，有利于底层运动控制器跟踪避碰路径。为了更加贴近真实的海洋情况，论文还重点考虑了海流的影响。本文通过改进的空间搜索方法，模拟传感器对障碍物的探测过程，从而获取障碍物的方位及位置信息。该方法对二维和三维环境具有相同的表示和类似的处理过程，对障碍物也没有结构化的要求，从而适合于实际的海洋环境。此外，水下机器人的动力学特性和海流的存在影响了运动控制器对规划路径的跟踪实现，所以本文结合水下机器人动力学性能和考虑海流的影响来规划全局路径，使得规划的路径更具有可实现性。系统仿真试验表明，本文提出的海流环境下基于水下机器人动力学特性的模糊实时避碰算法和全局路径规划是具有一定的理论意义和对实际应用具有一定借鉴意义的。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 引言  11
  1.2 机器人的发展间史和潜水器的分类  11-12
  1.3 AUV的国内外研究现状、应用前景和发展趋势  12-16
    1.3.1 AUV的国内外研究现状  12-14
    1.3.2 AUV的应用前景  14-15
    1.3.3 AUV的发展趋势  15-16
  1.4 本课题来源及研究意义  16
  1.5 本论文的主要工作  16-18
第2章水下机器人的动力学模型  18-27
  2.1 引言  18
  2.2 坐标系的选择及机器人运动参数  18-20
  2.3 水下机器人动力学方程  20-25
  2.4 本章小结  25-27
第3章水下机器人路径规划研究  27-42
  3.1 路径规划概述  27-31
    3.1.1 路径规划的定义  27-28
    3.1.2 路径规划的分类  28-29
    3.1.3 路径规划的实现  29-31
  3.2 局部避碰策略研究  31-37
    3.2.1 人工势场法  31-34
    3.2.2 模糊逻辑方法  34
    3.2.3 神经网络方法  34-36
    3.2.4 遗传算法  36-37
    3.2.5 小结  37
  3.3 全局路径规划研究综述  37-41
    3.3.1 网格法  37-38
    3.3.2 可视图(VGRAPH)法  38-39
    3.3.3 状态空间(Configuration Space)法  39-40
    3.3.4 单元细分(Subdivision)法  40
    3.3.5 动态规划(Dynamic programming)法  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章基于水下机器人动力学特性的实时模糊避碰策略研究  42-62
  4.1 研究对象的基本性能  42-43
  4.2 避碰声纳的配置和传感器信息的模拟  43-44
  4.3 海流因素在避碰规划中的影响  44-48
    4.3.1 海流中机器人的运动特性  45
    4.3.2 海流区域机器人艏向角的确定  45-46
    4.3.3 避碰过程中路径方向的确定  46-48
    4.3.4 小结说明  48
  4.4 基于水下机器人动力学特性的实时模糊避碰规划器设计  48-59
    4.4.1 规划器的结构  49-50
    4.4.2 输入输出变量的选择与模糊化  50-53
    4.4.3 水下机器人动力学特性  53-54
    4.4.4 模糊规则制定及模糊推理  54-57
    4.4.5 输出变量的反模糊化  57-58
    4.4.6 算法的实现  58-59
  4.5 仿真结果分析  59-60
  4.6 本章小结  60-62
第5章基于水下机器人动力学性能的全局路径规划研究  62-71
  5.1 引言  62-63
  5.2 规划问题的描述  63-64
  5.3 改进空间搜索方法  64-65
  5.4 基于动力学性能和海流的全局路径函数迭代优化算法  65-67
  5.5 仿真结果分析  67-70
  5.6 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  76-77
致谢  77

智能水下机器人的实时避碰策略和全局路径规划研究

内容摘要

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