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原文传递动态环境下海事无人艇巡航路径规划方法研究

论文题名：	动态环境下海事无人艇巡航路径规划方法研究
关键词：	无人艇;动态环境;路径规划;生成对抗神经网络;动态避障;航行安全
摘要：	智能化和无人化船艇是水路交通领域未来的重要发展方向，水面无人艇在海事监管、环境监测、巡航与搜救、遂行军事任务等诸多方面具有日益重要的应用价值。真实航行环境复杂多变，对船舶的无人化航行提出了严峻挑战。其中，动态环境下的路径规划技术是无人艇研究亟需解决的难题。动态环境不仅包括岛屿、海岸线、锚地、暗礁等静态碍航因素，还包括运动船舶、漂浮物等动态目标，因此需要路径规划系统实时理解动态环境并规划路径。目前动态环境下的无人艇路径规划研究存在问题包括：未考虑《国际海上避碰规则》（简称《避碰规则》）、不适用静态障碍物和动态目标共存的环境、无法规划涉及多路点的巡航路线、不满足长航线自主航行等。鉴此，论文做了以下重点工作：　　（1）面向多个巡航路点的无人艇全局巡航路径规划方法构建。针对多巡航点构成的旅行商问题，首先利用改进算法RRT-Connect-gcd构建路径网络，然后利用动态规划算法求解多个巡航路点最佳访问顺序得到最短巡航路线。其间综合考虑了路径长度、路径安全性、无人艇运动学约束等因素，设计了冗余点删除、梯度下降法、运动学约束三种策略来优化路径质量，可为无人艇后续运动控制和路径跟踪提供更好的初始条件。　　（2）面向无人艇实时避碰的目标船舶运动范围不确定性估计模型构建。针对动态交通环境下目标船舶未来运动范围不确定的问题，利用LSTM神经网络对船舶轨迹时空序列建模，通过提取交通态势特征挖掘船舶运动模式，最后利用宁波-舟山港真实AIS数据样本进行网络参数训练，得到可以实时预测船舶运动范围的模型参数权重。结合船舶领域模型能够实现无人艇动态碰撞风险实时计算，可为无人艇避碰决策和路径规划提供基础。　　（3）面向动态环境的无人艇在线局部规划方法研究。针对动、静态障碍物共存的航行环境，提出改进动态窗口法解决无人艇避碰决策和在线路径规划问题。综合考虑无人艇操作性能、实时计算性能、无碰撞、《避碰规则》等因素设计了二约束项和三代价项来求解满足多种约束的可行解。实现了符合《避碰规则》的避碰决策、避碰后自动复航、同时规避动态目标和静态障碍物。　　仿真实验结果表明，本文提出的路径规划方法能够为多个巡航水域分配合适巡航顺序并规划最短的、平滑的、与障碍物保持安全距离的巡航路径，其次模拟多种船舶冲突局面下的实时局部路径规划实验，实验结果表明本文所提方法能够处理常见冲突场景，能在符合《避碰规则》条件下完成动态避碰和复航，实现离线巡航路线制定和在线避碰路径规划的一体化，可为无人艇的研发和落地应用提供了关键技术支撑和解决方案、促进船舶智能化和无人化发展。
作者：	王森杰
专业：	导航与信息工程
导师：	何正伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021