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原文传递基于Pixhawk自主无人船路径规划及避障

论文题名：	基于Pixhawk自主无人船路径规划及避障
关键词：	无人船;自主巡航;路径规划;避障方法;航行安全
摘要：	随着人类对湖泊和海洋的开发，无人船的研究与应用逐渐受到广大研究学者的关注，其中路径规划与避障是无人船航行安全的关键技术之一，同时也是无人船在各个领域应用的基础。以Pixhawk为控制器的无人船航模具有成本低、输出稳定性高、生态环境良好等优点，但都只能由遥控器发送指令指挥船舶航行，或基于地面站将航点信息发送至控制器，执行航点追踪任务。针对以上问题，本文首先搭建以Pixhawk为控制器的无人船实验平台并加载固件，该固件融合了Dijkstra算法，可实现在较为简单环境下的静态路径规划及避障；然后提出双层混合方法，在相对复杂的静态环境下进行路径规划及避障仿真与湖试实验。最后提出融合算法，在动态环境下进行路径规划及避障仿真和湖试实验。本文主要研究内容如下：　　(1)首先根据无人船动力学和运动学建立无人船系统模型。根据无人船系统模型和应用需求，选择合理的无人船推进器布局方式，计算和调配出各个推进器的参数，设计速度、加速度控制器，搭建无人船实验平台，并加载融合Dijkstra算法后的固件。然后对实验平台进行校准并进行调试，确定无人船底层固件各个参数。最后在该无人船实验平台上进行自主巡航实验和通过遥控器进行遥控航行，验证该无人船实验平台设计的合理性与可行性，为下文的路径规划及避障奠定基础。　　(2)分析Dijkstra算法及A算法的优缺点，并在实验平台上进行验证。在较为复杂环境下单独使用Pixhawk控制器进行路径规划及避障的不足，提出了双层混合路径规划及避障方法，先由上位机使用A算法进行全局路径规划，再由下位机Pixhawk进行局部静态路径规划。首先对实验场景进行地图建模，并将其转化为二维栅格地图。然后根据地图信息由上位机使用A算法进行全局的路径规划并得出关键航点，将关键航点信息转为经纬度坐标并发送至下位机Pixhawk控制器，最后由控制器使用Dijkstra算法进行局部静态避障。为验证该方法的有效性，在SITL模拟器上进行仿真实验，监测无人船航行过程中三个自由度的变化及无人船的位置变化，并记录于日志，通过日志分析无人船的航行状态。进一步在无人船实验平台上进行湖试实验，验证双层混合方法在实际环境中的可行性。结果显示，双层混合方法不仅降低了控制器的计算量而且提高了路径搜索效率，实验结果验证了该方法的可行性。　　(3)由于动态环境中障碍物的随机性、复杂性，动态窗口法可能无法完成路径规划及避障。针对该问题，本文首先从理论上提出融合算法，利用动态窗口法的实时性和A算法启发函数的全局最优特性，将动态窗口法与A*算法相结合。融合算法预先对无人船运动状态进行建模；再从速度空间上对无人船的角速度、线速度进行采样；之后将采样结果通过评价函数进行评价打分，计算出最优的无人船期望位置，该评价函数由方位角函数、间隙函数、目标函数及启发函数组成；通过不断采样和评价，迭代计算出期望位置。然后为验证融合算法的有效性，在相同的航行条件和动态环境下，分别进行动态窗口法和所提出的融合算法的对比仿真和湖试实验。实验结果验证了融合算法的优越性和在实际环境中的可行性。
作者：	童金箭
专业：	控制科学与工程
导师：	齐洁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2021