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原文传递水面无人艇路径规划及自主避障方法研究

论文题名：	水面无人艇路径规划及自主避障方法研究
关键词：	水面无人艇;路径规划;改进粒子群算法;自主避障
摘要：	随着水面无人艇的优势逐渐被关注，以及国外对无人艇发展的战略部署和对我国的技术封锁，我国急需大幅提升无人艇智能水平并广泛应用于军事和民用领域的呼声日益强烈。无人艇在复杂环境下的路径规划和避碰能力是其智能性的重要体现，是智能导航控制的关键技术之一。本文按照“先全局再局部，先静态再动态，先单障碍再多障碍，先一般危险再紧急危险”的研究顺序层层深入，围绕无人艇路径规划与避障问题展开研究。　　针对陆地和岛屿形状复杂、岸线不规则的特点，通过对 Shapefile矢量文件的深入研究，本文提出了基于 Shapefile电子海图的矢量绕岛法，解决了一般全局路径规划算法简化障碍或栅格化环境地图造成环境信息缺失、规划不优的问题。通过仿真实验证明了该算法的智能性和耗时上的优越性。　　针对在电子海图中被忽略的小型静态障碍，利用粒子群算法求解迅速的优点，提出了一种用相切弧表示路径的粒子模型，解决了其他路径粒子模型受维数线束缚，不自由，不平滑的问题。并且提出基于捕食-逃生切换策略的改进粒子群算法，解决了粒子群算法在求解此类多维多峰优化问题易陷入早熟收敛，无法找到全局最优解的问题。通过测试函数以及路径规划仿真，证明了新的路径粒子模型与改进的粒子群算法相结合，可以迅速稳定的规划出平滑的绕障路径。　　通过深入研究无人艇避障的规划与执行的关系，提出将避碰问题划分为常规避碰和紧急避碰的指导思想，解决了无人艇大幅避让时运动模型复杂特殊的问题。根据无人艇四自由度回转运动仿真，提出了常规避碰运动能力假设，并构建了紧急避碰时的运动能力数据库，实现了无人艇自主避障问题的合理简化。　　常规避碰时，按照无人艇获取障碍运动数据的误差大小，将障碍划分为动态已知障碍和动态未知障碍两种情况。针对动态未知障碍的较大误差，提出了基于多项式和粒子群算法的二向拟合，以非常简练的方式消除了数据误差，将动态未知障碍转化为动态已知障碍。针对动态已知障碍在兼顾避碰规则以及避碰安全性时，避碰方向选择复杂的问题，提出了基于避碰规则的偏心膨胀，实现了避碰方向选择的极大简化。借鉴机器人路径动态规划思想，通过建立无人艇与障碍的速度关系确定避碰参数。对于多障碍避碰问题，运用模糊理论，提出基于在线障碍更迭思想的多障碍避碰规划，通过将多障碍的避碰转化为对两个更迭的障碍的避碰，解决了多障碍避碰规划思路复杂，计算繁琐，稳定性差的问题。通过多个仿真试验，证明了偏心膨胀和在线障碍更迭思想的稳定性、简洁性、有效性。　　针对无人艇的紧急避碰，深入研究了对避碰成败造成重要影响的横倾、速降等因素，以无人艇运动能力数据库为基础，通过搭建运动能力与避碰规划之间的联系，解决了紧急避碰时无人艇运动变化复杂、难以建模、难以简化的问题。　　最后，通过对全局路径规划算法与自主避障算法的协调处理，对各功能模块的整合，构建了无人艇路径规划与自主避障系统，解决了全局路径规划与局部避碰结合时的路线选择问题。搭建了 Unity3D视景仿真平台，实现了对无人艇运动场景的实时重建。通过无人艇从接收任务到完成任务的全流程的运动仿真，验证了文章所采用的路径规划与自主避碰算法的可行性与优越性，以及各功能模块间的适应性，也证明了系统的稳定性与有效性。
作者：	宋利飞
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	茅云生;向祖权
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文