多自主水面无人艇分布式编队控制问题研究

论文总字数：26620字

摘 要

本项目旨在通过仿真模拟水面无人艇群的编队控制。构建分布式控制器，以实现无人艇群在理想环境、含有不确定参数、含有通信时滞等情况下使得无人艇群位置、速度、方向等物理信息在有限时间内趋于有界或是达到一致，从而实现编队控制,并能够实现静态避障。简单地说，就是模拟无人艇群在海洋环境中的导航、避障以及编队控制。通过在上述环境中构建无人艇及障碍物的模型，构造无人艇的运动学和动力学模型，并且基于VO和RVO算法，对无人艇的编队控制器进行设计。同时，还需要确认各个无人艇的通信状况，以及对模拟环境进行不同程度的区分，以使得模拟更接近现实情况。最后，通过MATLAB仿真的方式来对我们的假设进行检验。

关键词：水面无人艇，编队，避障，仿真模拟

Abstract

This project aims to simulate the formation control of the surface unmanned boat group by simulation. Construct a distributed controller to achieve unmanned boat group in an ideal environment, with uncertain parameters, including communication time lag, so that the physical information, such as position, speed, direction, of the unmanned boat group tends to be bounded or achieves consistency within a limited time in order to achieve formation control. And the unmanned boat group can achieve static obstacle avoidance. To put it simply, it is to simulate the navigation, obstacle avoidance and formation control of the unmanned boat group in the marine environment. The kinematics and dynamics models of unmanned boats are constructed by constructing models of unmanned boats and obstacles in the above environment, and the formation controllers of unmanned boats are designed based on VO and RVO algorithms. At the same time, it is necessary to confirm the communication status of each unmanned boat and to distinguish the simulation environment to different degrees to make the simulation closer to reality. Finally, we test our hypothesis by means of MATLAB simulation.

KEY WORDS: Unmanned surface vessel, formation, obstacle avoidance, simulation

目 录

摘要 …………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ

1. 选题背景 ……………………………………………………………………1

1.1 水面无人艇介绍 …………………………………………………………1

1.2 国外发展现状 ……………………………………………………………1

1.3 国内发展现状 ……………………………………………………………2

1. 水面无人艇的运动学模型 …………………………………………………2

2.1 参考系的选择 ……………………………………………………………3

2.2 运动学模型 ………………………………………………………………3

2.3 模型的简化 ………………………………………………………………4

1. 分布式控制器的构造 ………………………………………………………4

3.1 假想物理模型设置 ………………………………………………………5

3.2 匹配指标设置 ……………………………………………………………6

3.3 无人艇编队控制器设计 …………………………………………………7

1. 基于VO和RVO的避障算法构造 …………………………………………11

4.1 速度障碍 …………………………………………………………………12

4.2 无人艇编队避障算法 ……………………………………………………14

4.3 MATLAB仿真模拟 ………………………………………………………19

结论 …………………………………………………………………………………23

致谢 …………………………………………………………………………………24

参考文献（References） …………………………………………………………25

第一章 选题背景

1.1水面无人艇介绍

随着科技的发展和智能化的普及，无人机、无人地面车、无人潜艇等相继出现和发展。军事领域和民用领域都对无人操作的新一代设备需求大大增加。作为重要的运输和作战工具的船艇也在向无人化的方向发展。

无需人操作的水面舰艇，即是水面无人艇（简称USV）。主要用来参与某些存在潜在危险，或者不适合有人船舶进行作业的任务。如在军事领域，可以进行侦查探测、排雷埋雷、无人作战等可能存在人员伤亡的任务。目前，水面无人艇的发展还不完善，但已经具备较高的自动化、智能化，且因为其规模较小，隐蔽性和机动性也较为突出。在民用方面，水面无人艇也有很多地方可以应用，如进行运输护航、对海洋作业平台进行监督、进行海洋地图的探测绘制等等，可以有效地减少人员支出，并降低作业风险。

作为新一代的无人化船艇，其与普通有人船艇相比有很多的优势。就目前的发展来看，水面无人艇虽然开发出了各种类型，但与有人船艇相比，无人艇的主尺寸和排水量就较小，这就使得其更加的轻量化，能够快速反应。又因为其吃水设计的较浅，因此很适宜在浅水区域作业，且很容易适应不同海况的干扰，灵活性和适应性强。因为不需要考虑船员的问题，所以无人艇的设计可以更加的灵活多样，这就使得其发展存在多种可能。此外，因为水面无人艇被赋予了多种使命，所以其越来越朝着信息化和智能化的方向发展。

与无人机、无人车相比，无人艇的发展更为困难，因为在现实中，海洋的环境气候复杂且多变，未知因素众多。这就使得单一作业的水面无人艇力有不逮，无法像无人机、无人车那样高效工作。所以，多艘无人艇协同作业，构成统一的舰艇编队，是目前无人艇发展的主流。这样，不仅可以扩大作业范围，提高作业效率，还方便统一控制和通讯联系，提升导航精度，大大降低了风险。

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