基于改进DWA的无人艇编队避障及MPC轨迹跟踪

盛金亮; 董早鹏; 匡文琪; 李志豪; 孙蓬勃

doi:10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2024.04.002

大连海事大学学报 ›› 2024, Vol. 50 ›› Issue (04) : 12 -21. DOI: 10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2024.04.002

基于改进DWA的无人艇编队避障及MPC轨迹跟踪

盛金亮, 董早鹏, 匡文琪, 李志豪, 孙蓬勃

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摘要

针对突发障碍物影响下的无人艇编队轨迹跟踪控制问题，提出一种基于改进动态窗口法的自主-跟随双模式避障模型预测控制方法。首先，为实现无人艇避障规划和控制的更好融合，在动态窗口算法评价函数设计中引入纵向速度和艏向角速度震荡约束项以减少速度和艏向角的抖动，提出一种基于中间距离计算引导方位角的策略以减少无人艇避障过程中的急速转弯情况。在跟随艇自主避障过程中，设计基于预测终点与期望位置偏差的评价项，同时，结合队形保持信息修正避障终点，以减小整个无人艇编队队形的偏离。其次，基于线性化泰勒展开原理，设计无人艇编队的预测模型，通过系统输出测量值与模型预估值之间的预测误差对模型的预测值进行修正，同时，采用滚动式有限时域的反复在线优化策略，提出一种融合自主-跟随双模式避障策略的无人艇编队轨迹跟踪模型预测控制方法。最后，设计非线性干扰观测器对环境干扰进行补偿，结合终端惩罚理论构造李雅普诺夫函数证明系统的稳定性。仿真实验验证了本文无人艇编队避障和轨迹跟踪控制算法的有效性和可靠性。