无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle,USV）因其具备体积小、速度快等特点,在军用领域和民用领域受到广泛关注。在复杂且多变的海洋环境中,确保无人水面艇安全规避碍航物并驶向任务终点是无人水面艇技术研究的重要内容,无人艇的航迹规划与避碰控制技术研究是实现无人水面艇自主航行的关键技术。本文针对碍航物约束、无人艇动力学模型等操纵特性约束以及避碰规则约束,围绕航迹规划与避碰控制技术展开研究。本文主要研究以下几个方面:1.建立无人水面艇的操纵运动模型。该模型根据单艉机推进特点,以推进器转速和推进角作为控制输入。以“蓝信号”无人水面艇作为实验平台,通过Z形操纵实验、定常回转实验以及直行加速实验获取实艇实验数据,采用多输入多输出递推最小二乘法,对无人水面艇数学模型的参数进行辨识,建立了适用于航迹规划与避碰控制研究的无人水面艇操纵特性约束运动模型。2.提出基于状态约束的动态航迹规划算法。该算法可以在起点和终点之间获取最优规划航迹,并根据移动碍航物及本艇的状态信息建立相应的船舶领域模型及状态约束模型对规划航迹进行约束,从而使规划航迹能够根据碍航物约束、本艇状态约束实现自主规划,同时规划航迹可以根据安全余量和航迹长度需求进行调整。在满足无人艇运动状态约束条件下,该算法能够自主规划出连续、光滑且安全的航行轨迹,从而确保无人水面艇对规划航迹进行跟踪的可行性。3.提出基于动力学约束的实时避碰控制算法。该算法建立推进器转速和推进角的候选控制行为空间,依据无人水面艇操纵运动模型获取动力学可行预测轨迹。构建避碰控制评价函数,评价函数综合考虑碰撞风险评估条件、移动碍航物约束、航行稳定性等因素,通过该评价函数实时获得最优操纵控制量并生成规划轨迹。在充分考虑无人艇操纵特性的前提下,该算法所获得的最优操纵控制量以及生成的规划轨迹可同时满足移动碍航物约束、动力学约束、执行器约束、避碰规则约束,克服了动态窗口避碰算法的速度窗口参数估计问题。4.针对动态航迹规划算法计算速度较慢难以对海洋环境中的突发变化做出快速更新响应,而基于动力学约束的实时避碰控制算法有可能陷入局部最优的问题,提出动态航迹规划算法和实时避碰控制算法交互运行的航迹规划与避碰控制方法。所提航迹规划与避碰控制方法依靠动态航迹规划算法确保规划航迹的全局最优性和一致性,依靠实时避碰控制算法对局部环境约束信息变化做出快速响应,使得两者可以互相弥补其缺点并进行交互更新,从而生成在复杂环境中起点和终点之间满足多种约束的动力学可行规划轨迹,并获得最优操纵控制量。