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基于电子海图环境建模的水面无人艇路径规划研究
| 论文题名： | 基于电子海图环境建模的水面无人艇路径规划研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;路径规划;电子海图;速度障碍法 |
| 摘要： | 水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicle,USV）作为一种能够在复杂海洋环境下自主航行的智能化水面平台，在军事及民用领域得到了广泛应用。路径规划作为USV自主航行的核心技术，成为近年来USV领域的研究热点。USV路径规划由两部分组成，一是全局路径规划，即根据已知海洋环境信息，按照时间或者距离作为性能指标规划出一条安全、最优或次优路径；二是局部路径规划，即在局部海洋环境动态未知情况下躲避障碍物的能力，其性能直接关乎USV航行的安全性。本文围绕全局路径规划中路径最优性以及局部路径规划中避障安全性两个问题进行研究，按照分层规划的思想，设计了基于电子海图的全局路径规划算法和未知环境下满足多约束条件的实时局部路径规划算法。 通过环境信息已知的电子海图规划出离线全局路径，此部分工作包括三个过程：首先对电子海图进行解析并提取海域信息建立栅格环境。对于传统栅格环境中，USV航行过程存在距离障碍物边缘过近的问题，本文通过设计一种对障碍物栅格进行两级膨胀的方案将其解决；然后在栅格环境下进行路径搜索，针对A*算法存在的大范围搜索速度缓慢、规划出的初始路径折线、折点多等缺点，先结合启发函数的思想设计一种变权重A*算法实现路径搜索效率的提升；然后通过运用改进A*PS（A*Post-Smoothed）算法和三次B样条曲线对初始路径存在的大量折点、折线进行两级平滑处理得到全局路径。并通过仿真试验完成了对全局路径规划算法性能上的验证。 将已经规划出的全局路径作为USV的期望航线，对USV局部路径规划中的自主避碰问题进行研究，将研究目标设定为同时考虑国际海上避碰规则（COLREGs）约束、动力学约束、实时性约束的算法研究，将速度障碍法（VelocityObstacleAlgorithm）与动态窗口法（DynamicWindowAlgorithm）进行结合，并通过设计碰撞危险度计算模型和设定阈值对避碰时机作出决策，保证USV安全性的同时减少能量上的消耗。通过USV与障碍船舶的会遇态势案例仿真研究，验证了该自主避障决策方法的有效性。 |
| 作者： | 张昆阳 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 张均东 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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