基于路径-速度解耦的无人水面艇时间最优轨迹规划方法研究

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Time-optimal trajectory planning for unmanned ships along a specified path based on the phase plane

为解决无人水面艇（USV）在复杂海洋环境中轨迹规划的时间最优性和动态约束满足问题，研究人员开展了基于路径-速度解耦（PVD）框架的时间最优轨迹规划研究。通过建立参数化运动模型，提出路径影响抑制（PIS）策略和有限轨迹相位平面（FTP）方法，成功构建了最大可行速度曲线（MFVC），实现了在Bezier曲线路径上的时间最优航行。该研究为USV的自主导航提供了新的理论框架和技术路径。

　　

随着海洋资源开发和海上运输的快速发展，无人水面艇（USV）在海洋观测、环境监测、海上救援等领域发挥着越来越重要的作用。然而，USV在复杂海洋环境中的自主导航仍面临诸多挑战，其中轨迹规划的时间最优性和动态约束满足是关键难题。传统的轨迹规划方法往往将路径规划和速度规划耦合处理，导致计算复杂且难以保证时间最优性。此外，USV的运动受到流体动力、推进器推力、舵效等多种因素的制约，如何在满足这些动态约束的前提下实现时间最优轨迹规划，是当前研究的重点和难点。

针对上述问题，大连海事大学的研究团队在《Journal of Ocean Engineering and Science》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于路径-速度解耦（PVD）框架的时间最优轨迹规划方法。该方法通过建立参数化运动模型，结合路径影响抑制（PIS）策略和有限轨迹相位平面（FTP）方法，成功解决了USV在指定路径上的时间最优速度规划问题。

本研究采用了几个关键的技术方法：首先建立了考虑船体、螺旋桨和舵相互作用的MMG（Maneuvering Modeling Group）模型，准确描述了USV的水动力特性；然后通过路径-速度解耦框架将轨迹规划问题分解为路径规划和速度规划两个相对独立的部分；进而提出了路径影响抑制策略，通过调整路径参数减少路径因素对运动状态表示的干扰；最后开发了有限轨迹相位平面方法，通过分析加速度在相平面上的分布特性，构建了最大可行速度曲线（MFVC），实现了时间最优的轨迹规划。

轨迹参数化与运动学建模

研究人员首先对USV的运动状态进行参数化描述，将位置、速度、加速度等状态变量表示为轨迹参数的函数。通过引入三次Bezier曲线描述路径几何特征，建立了路径函数B(s)=[B_x(s),B_y(s)]，其中s∈[0,1]为轨迹参数。基于运动学关系，推导出了速度、加速度与轨迹参数导数间的关系式，实现了运动状态的完全参数化表达。

动力学模型重构与路径影响抑制

针对MMG模型的高度非线性特性，研究团队通过坐标变换和参数重构，将复杂的动力学方程转化为以轨迹参数s和控制变量mv为自变量的参数化形式。特别值得注意的是，他们提出了路径影响抑制（PIS）策略，通过分析船舶运动状态与路径几何特性的关系，对模型中的关键参数进行校正，有效降低了路径因素对运动状态准确表示的干扰，提高了模型的精度和实用性。

有限轨迹相位平面方法与时间最优规划

基于参数化模型，研究人员开发了有限轨迹相位平面（FTP）方法，通过在相平面(s,?)上分析运动状态的可行区域，构建了最大速度曲线（MVC）和最大可行速度曲线（MFVC）。该方法通过关联相平面中的离散点，形成完整的轨迹曲线，并根据加速度在相平面上的分布特性，确定了时间最优的速度规划方案。理论分析表明，该方法能够确保在每个时刻至少有一个控制输入或其对应的动态指标达到约束边界，从而保证了轨迹的时间最优性。

仿真验证与性能分析

为验证所提方法的有效性，研究团队设计了两个实验场景：第一个是无扰动条件下的Lissajous图形轨迹优化与跟踪控制，第二个是实际任务中衍生的不规则轨迹跟踪伴随环境扰动。通过构建轨迹跟踪控制系统，调节螺旋桨转速和舵角，实现了对规划轨迹的精确跟踪。仿真结果表明，该方法能够在满足动态约束的前提下，实现时间最优的轨迹跟踪，验证了规划轨迹的可行性和有效性。

研究结论表明，基于路径-速度解耦框架的时间最优轨迹规划方法能够有效解决USV在复杂环境下的轨迹规划问题。通过参数化建模、路径影响抑制和有限轨迹相位平面方法的有机结合，不仅降低了规划问题的复杂度，而且保证了轨迹的时间最优性和动态可行性。该研究为USV的自主智能导航提供了新的技术路径，在海洋工程领域具有重要的理论意义和应用价值。未来工作可进一步考虑复杂海洋环境扰动下的轨迹规划问题，提高方法的实用性和鲁棒性。