详情

原文传递无人艇智能避障策略研究与实现

论文题名：	无人艇智能避障策略研究与实现
关键词：	无人艇;智能避障;安全操舵法;虚拟势场
摘要：	近年来，随着海洋经济的发展以及海洋权益纷争加剧，无人艇作为一种新型水面艇，对海洋开发和维护海洋安全都具有重要意义。而无人艇避障技术是无人艇实现安全自主航行的前提，本文结合无人艇实际避障场景对无人艇避障算法展开研究，并设计了仿真和物理实验。　　由于无人艇避障环境复杂多变，单一的避障算法难以应对所有场景，本文提出一种基于场景划分原则的智能避障策略。该策略的智能性主要体现在场景切换，能够针对不同的场景采用不同约束等级的避障算法，提高了避障成功率，并且具有一定的通用性。首先设计了一种基于无人艇与障碍物相对距离的场景划分原则，将不同的场景表述为障碍物的不同危险等级，针对不同危险等级的障碍物，设计了“安全操舵法”、“虚拟势场法”、“动态几何法”三种避障算法。其中“安全操舵法”针对高危险等级障碍物进行避障，该算法通过几何参数计算，在无人艇每个控制周期输出固定增量的避障角，同时将避障角作为给定值输出到无人艇舵机控制模块，通过控制无人艇的舵角确保无人艇对高危险等级障碍物快速做出避障反应。此外，为防止无人艇短时间内航向连续快速变化导致打转的发生，本文引入了角度阈值约束以保证算法的合理性。其中“虚拟势场法”针对中危险等级障碍物的避障，采用建立虚拟势场的思想，定义了新的引力场和斥力场函数，将合力方向作为给定航向输出到航向控制模块，通过无人艇跟踪给定航向实现对中危险等级障碍物避障。并引入逃逸角和虚拟斥力点的概念，克服了算法中出现的局部最优以及对遇型障碍物无法避障的问题，增强了算法的鲁棒性。其中“动态几何法”针对低危险等级障碍物的避障，首先在障碍物外侧增添安全圆，进而对感知范围内的障碍物判断碰撞风险，若该障碍物存在碰撞可能，则将无人艇与该障碍物安全圆的切点作为避障点，通过动态跟踪该避障点以实现对低危险等级障碍物的避障。　　从仿真及物理实验的结果来看，本文设计的三种避障算法均可成功实现对不同危险等级的动、静态障碍物的规避，验证了以上算法的有效性。对于“安全操舵法”而言，当无人艇面对高危险等级障碍物时，短时间内航向变化较大，可做出快速反应，具备一定的实时性。从“虚拟势场法”的实验结果来看，该算法克服了传统人工势场法存在的缺陷，有效提高了对中危险等级障碍物的避障成功率。对于“动态几何法”而言，成功实现了对低危险等级障碍物的规避。
作者：	刘松杰
专业：	控制工程
导师：	赵金
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021