波浪能推进水面航行器的路径规划问题研究

【摘要】：海洋资源的勘测和环境的监测等领域的研究亟需一种能在恶劣的海洋环境中长时间、大范围自主移动的观测平台。当前海洋研究任务主要由船只,浮标、潜标、高空遥感和水下机器人等平台完成,这些传统平台不单要消耗大量的人物力资源,并且难以自主地完成长时间和大范围的任务。本课题将研究一种新型自主移动观测平台——波浪能推进水面航行器。该航行器能将波浪能转换为前进驱动力,通过搭载各类传感器、通信设备和光伏系统,能自主地完成长时间和大范围的监测作业。为了使得波浪能推进水面航行器能精确和高效地进行航海作业,我们必须对航行器进行路径规划。海流的时空多变性导致传统路径规划方法在海流干扰下效果比较差,因此需要一种能考虑海流作用的路径规划方法；另外最优路径规划需具备精确的驱动速度,而波浪能航行器的波浪能推进的运动方式导致其驱动速度受限于波浪海况,时变不可控的驱动速度加剧了路径规划问题,因此需建立动力学模型来获得精确驱动速度。为了解决波浪能航行器的路径规划难题,本文在分析波浪能航行器的运动特性基础上,利用Kane方法建立了其动力学模型并通过仿真实验与水池实验验证了模型。该动力学模型可求得不同海况下航行器的驱动速度。其次研究了考虑海流影响的水平集路径规划方法,提出了考虑时变驱动速度与动态海流的波浪能航行器的路径规划方法,最后提出了基于水平集的动态路径规划方法。 【关键词】：航行器 波浪能 动力学建模 路径规划 水平集方法
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.8
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外波浪能水面航行器的发展现状11-14
• 1.2.1 国外波浪能水面航行器的发展现状11-13
• 1.2.2 国内波浪能水面航行器的发展现状13-14
• 1.3 波浪能水面航行器路径规划的研究现状14-18
• 1.3.1 波浪能航行器的自主导航14-15
• 1.3.2 波浪能航行器的路径规划15-18
• 1.4 本文的研究内容与安排18-20
• 第二章 波浪能水面航行器的运动机理及其路径规划问题20-28
• 2.1 波浪能水面航行器的结构组成20-22
• 2.1.1 水面移动浮标20-21
• 2.1.2 水下滑翔机21-22
• 2.2 波浪能水面航行器的运动机理22-24
• 2.2.1 上升阶段22-23
• 2.2.2 下沉阶段23-24
• 2.2.3 过渡阶段24
• 2.3 波浪能水面航行器样机测试24-25
• 2.4 波浪能水面航行器的路径规划问题25-26
• 2.5 本章小结26-28
• 第三章 波浪能水面航行器的动力学建模与实验研究28-48
• 3.1 基于Kane方程的动力学建模与仿真28-37
• 3.1.1 动力学建模28-32
• 3.1.2 动力学建模仿真与结构参数优化32-37
• 3.2 水池实验平台设计与实验探究37-45
• 3.2.1 水池实验平台设计37-40
• 3.2.2 水池实验结果及探究40-45
• 3.3 本章小结45-48
• 第四章 基于水平集的路径规划方法48-64
• 4.1 界面演化与跟踪48-49
• 4.2 水平集方法49-58
• 4.2.1 水平集方法介绍50-53
• 4.2.2 水平集演化方程53-55
• 4.2.3 水平集方程的数值计算55-57
• 4.2.4 水平集函数的重新初始化57-58
• 4.3 水平集方法的路径规划58-63
• 4.3.1 路径规划与边界演化58-60
• 4.3.2 水平集方法的路径规划方法60-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 基于水平集方法的波浪能水面航行器的路径规划64-78
• 5.1 波浪能水面航行器的路径规划方法64-65
• 5.2 海流误差估计65-67
• 5.3 水平集路径规划的仿真实验67-76
• 5.3.1 静态流场67-69
• 5.3.2 动态流场69-71
• 5.3.3 动态路径规划与多机路径规划71-76
• 5.4 本章小结76-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 总结78
• 6.2 展望78-80
• 参考文献80-86
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果86-88
• 作者简历88

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