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基于改进快速扫描法的无人艇路径规划研究
| 论文题名： | 基于改进快速扫描法的无人艇路径规划研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;路径规划;快速扫描法;电子海图;虚拟流场 |
| 摘要： | 水面无人艇(unmannedsurfacevehicle，USV)是一种能够在多种水面环境中自主航行、具有智能决策能力的新型海洋智能平台。路径规划技术作为实现这种自主能力的关键技术之一，主要通过提供优化的航行轨迹来支撑无人艇的自主安全航行。因此开发一种高效的路径规划算法提高无人艇的实时操作能力具有重要意义。本文的研究内容主要包括以下四个部分: 首先，快速扫描法(fastsweepingmethod，FSM)及改进。为解决大范围复杂环境下的路径规划问题，将一种改进后的快速扫描法——锁定扫描法(lockingsweepingmethod，LSM)应用到无人艇路径规划中。锁定扫描法生成的势场梯度光顺，能有效规避局部极小值点，且计算效率高，为实现无人艇在大范围复杂环境下的高精度路径规划提供了一种新思路。 其次，规划空间表示。基于对无人艇航行能耗与安全性的综合考虑，提出了一种基于锁定扫描法的规划空间表示方法。环境模型以大连海域的电子海图(electronicnauticalcharts，ENCs)为基础，能直接提取环境信息，构造准确反映静态和动态障碍物位姿信息的网格图，且路径上航点都以大地坐标表示，有利于提高算法实用性。针对直接将锁定扫描法应用于路径规划生成路径安全性差的缺点，在障碍边界构建抗拒无人艇接近的安全环带来提高路径安全性。并基于“国际海上避碰规则”和动态障碍物速度构造动态障碍物安全领域，提高了无人艇在动态环境下航行安全。 再次，路径规划仿真试验。为解决大范围复杂环境下的无人艇路径搜索问题以及动态环境下的无人艇避碰问题，设计了一种基于锁定扫描法的路径规划算法，构建了仿真试验环境。通过不同环境下的仿真试验验证所提算法的有效性以及处理实际环境的能力。此外，基于“天行一号”无人艇的战术直径对搜索路径进行优化，可有效提高无人艇的航行跟踪精度以及算法实用性，且所提算法在动态环境中拥有较佳的实时避碰能力和路径重规划能力。 最后，引入海洋环境干扰后的仿真试验。考虑到实际海洋环境的干扰问题，对海洋中均匀海流以及涡流进行了数学建模，通过不同环境下的仿真试验验证了所提算法的干扰适应能力。此外，对于存在安全风险的路径，采用引入虚拟流场和调整安全势场阈值两种方式优化势场，有效解决了无人艇在海流和涡流干扰下的安全航行问题。 |
| 作者： | 罗靖 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 庄佳园;任毅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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