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多舰载机甲板协同调度算法设计与仿真研究

摘要

航母甲板舰载机牵引系统的转运效率决定着舰载机的出动能力，甚至在一定程度上

决定着航空母舰的作战能力。随着移动机器人技术的日益成熟，舰载机牵引车的无人自

主智能化也变得逐渐可行。本文以多舰载机甲板协同调度问题为研究对象，主要对其路

径规划模块、轨迹跟踪模块和任务规划模块进行了设计。

在舰载机-牵引车协同调度问题相关领域研究中，目前已经有许多路径规划、轨迹

跟踪和任务规划算法被提出且应用了。但是对其协同调度算法的整体设计研究还比较

少，且大多仍处于分系统设计阶段，因此本文对无人牵引车的导航系统在ROS（Robot

OperatingSystem）环境下进行设计，同时在Gazebo仿真平台下进行了半实物验证。

首先，建立了牵引系统整体的运动模型，提出了针对调运系统的碰撞检测方案，使

用多边形方法对其轮廓进行拟合。在此基础上，设计了基于快速有哪些信誉好的足球投注网站随机树（Rapidly

exploringRandomTrees，RRT）算法的全局路径规划模块，并根据实际情况进行改进：

在代价计算方面引入了基于非完整约束的最优化求解方法；根据人工势场方法改进了节

点有哪些信誉好的足球投注网站策略；设计了Reeds-Shepp曲线有哪些信誉好的足球投注网站加速器并提出了基于梯度下降方法的路径平

滑方案。使调运系统能够满足调运系统的运动规律，同时提升规划器的求解速度，以满

足舰载机甲板调运情况的实际需求。

接着，为了解决多机调运情况中可能出现的舰载机会遇问题，本文设计了基于

Openplanner算法的局部避障规划模块。为了使其能够在非结构化环境中高效工作，对

传统算法的流程以及约束设置进行了改进。使无人牵引车在得到全局参考路径以及感知

到动态障碍物位置的情况下，能够实时规划出一条局部避障路径。

然后，在得到调运系统模型的基础上，设计了一种基于模型预测控制（Model

predictivecontrol，MPC）原理的轨迹跟踪控制器。并根据扩展卡尔曼滤波（Extended

KalmanFilter，EKF）算法对其定位模块进行了设计，将超宽带技术（UltraWideBand，

UWB）、惯性测量单元（InertialMeasurementUnit，IMU）以及轮式里程计（Wheel

Odometry）的位姿信息进行融合，实现对于被控对象的精准定位。在SolidWorks软件中

绘制了航空母舰、舰载机以及牵引车的三维模型，并将其导入Gazebo仿真平台，同定

位模块共同搭建了甲板调运仿真平台，并在仿真平台中进行了轨迹跟踪实验。

最后，为了实现多机调运任务的有效规划，根据约束条件建立了甲板保障序列的数

学模型，设计了一种基于禁忌有哪些信誉好的足球投注网站算法（TabuSearch）和遗传算法（GeneticAlgorithm）

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

的融合算法，之后将其应用到任务规划模块之中。对于算法中的交叉以及变异方法进行

了改进，同时对算子引入了自适应有哪些信誉好的足球投注网站策略。通过迭代优化整体保障序列，确定每个调

运组的工作时间和目标位置，实现多牵引系统的自主协同工作。仿真实验结果表明，本

文所设计的多舰载机甲板协同调度算法具有一定的工程实用性。

关键词：无人牵引车；路径规划；轨迹跟踪；任务规划；多机调运

多舰载机甲板协同调度算法设计与仿真研究

Abstract

Thetransferefficiencyoftheaircraftcarrierdeckaircrafttowingsystemdeterminesthe

dispatchcapabilityofthecarrier-basedaircraft,andtosomeextent,thecombatcapabilityof

theaircraftcarrieritself.Withtheincreasingmaturityofmobilerobottechnology,the

unmann