近年来,为减少人员伤亡及提高任务执行效率,无人艇技术发展迅速,在军事和民用领域被大量使用。然而,目前主流的无人艇平台存在着诸如负载能力低、执行任务单一等缺陷,不利于无人艇的广泛应用。为克服这些缺点,需要将多艘无人艇组成编队,实现协同操作。路径规划是无人艇编队技术中的核心组成部分,用于全局静态路径规划及局部动态避碰。开展无人艇编队的路径规划技术研究,对提高无人艇编队的负载能力和任务多样性具有重要的理论研究意义和工程应用价值。本文采用领导者-跟随者的编队控制结构,基于改进的快速行进法进行全局静态路径规划,和局部动态路径规划建立无人艇数学模型并进行仿真实验。本文的研究内容概述如下:研究全局静态路径规划方法。全局静态路径规划分为位姿空间表示和路径搜索算法2部分。位姿空间是与实际环境对应的、能够被计算机处理的数据结构;路径搜索算法则是应用于该数据结构的算法。传统的位姿空间表示方法在细节上有所不同,但均将实际环境划分为可行区域和障碍物区域,并将可行区域看作各向同性,区域内的安全性、通行性一致。这会导致生成的路径距障碍物过近。针对此缺陷,快速行进平方法将可行区域看作各向异性的,认为某点的安全性和该点距障碍物的距离线性相关,倾向于让无人艇沿着最安全的区域行驶。但距障碍物越远,路径长度会相应增加。本文提出的可变快速行进平方法认为某点的安全性和该点距障碍物的距离正相关,通过比例缩放、阈值处理、函数变换这3种方式改变可行区域的各向异性,使最终生成的路径能够在安全性和长度之间进行权衡。对本文提出的可变快速行进平方法进行实验验证。研究局部动态路径规划方法。无人艇编队在运动过程中可能遭遇动态障碍物,传统的局部动态路径规划方法均是通过传感器信息对障碍物建模,并对全局静态路径进行局部修正,存在计算量大、实时性差、路径规划结构复杂等问题。针对此问题,本文提出有限快速行进法,并基于船舶领域等概念提出避碰领域。对无人艇编队中某个成员进行局部动态路径规划时,将其它成员也看作动态障碍物,在每个动态障碍物的避碰领域内应用有限快速行进法,与全局静态路径规划中的安全地图叠加,用于生成优化路径。对本文提出的有限快速行进法进行实验验证。研究无人艇的数学建模方法及运动仿真。本文假设无人艇中各成员的参数、性能是一致的,根据MMG建模思想,综合考虑多种干扰力及推进力,建立无人艇的数学模型。以Matlab为仿真平台,利用Runge-Kutta法对数学模型进行求解,采用数字式PID控制方法对无人艇编队进行路径跟踪仿真实验,得到不同行驶环境中的运动轨迹仿真结果。