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原文传递复杂海洋空间环境下无人船路径规划和避碰技术研究

论文题名：	复杂海洋空间环境下无人船路径规划和避碰技术研究
关键词：	无人船;全局路径规划;环境建模;局部避碰;快速行进法;混合路径规划;有限状态机
摘要：	随着人们对海洋研究和开发的不断深入，传统的岸基/空基观测和开发手段已经无法满足当前的需求，海洋无人平台逐渐发展成为弥补传统手段不足的重要方式。作为目前唯一的水面无人移动平台，无人船在近些年来得到了越来越广泛的关注和研究，并在多个行业开始了应用。无人船技术涉及多个学科、多个研究领域，在一定程度上代表着现代海洋科技发展的前沿。然而，目前无人船的自主避碰技术仍是其完全自主化的主要阻碍。此外，无人船执行任务离不开路径规划过程，在不同的任务需求下执行合适的全局路径规划可以有效提高任务执行的效率。因此，研究无人船的全局路径规划和局部避碰技术具有理论和现实的意义。　　本文针对无人船的全局路径规划和局部避碰技术进行了研究，主要内容包括以下几个方面：　　对无人船全局路径规划开展研究，针对常规快速行进平方（FastMarchSquare,FM2）方法参数环境适应性差的问题，提出了一种具有环境适应性的近岸距离约束快速行进平方法的规划算法。该方法利用两个近岸距离参数将规划路径中绕行障碍的部分约束于两个参数确定的区域内，在保证无人船安全的基础上获取一条时间准最优且平滑的全局路径。　　针对大规模栅格地图下全局路径规划计算效率低的问题，提出一种双层空间分辨率地图的快速全局路径规划算法。该算法基于双层空间分辨率地图开展两次路径规划，第一次在低空间分辨率地图内执行初步规划，用于确定有效路径大概率分布的有效区域。第二次在高空间分辨率地图的有效区域内执行精细的路径规划。通过上述处理，可以在不牺牲规划路径精度的情况下有效提高计算效率。　　针对无人船长航时长航程的局部避碰问题，提出了一种基于单独转向的局部避碰算法。该算法从无人船长航时长航程应用下维持经济转速航行以降低燃油消耗率的需求出发，仅通过转向操作进行避碰。算法通过一个危险评估模型评估碰撞危险，同时引入一个利用距离区间进行表征的转向时机概念，通过该转向时机确定是否执行避碰操作。在一个解析可航角区间以及国际海上避碰规则的共同约束下，生成一个满足转向避碰需求的导航位点来对无人船进行避碰导航。在此基础上，整个局部避碰过程通过一个有限状态机模型进行管理和执行。　　针对无人船自主航行过程中对全局路径规划和局部避碰的完备性需求，通过引入路径重规划技术将全局路径规划和局部避碰进行有机的结合，形成一种无人船混合路径规划算法。其中，路径重规划技术在全局路径规划的基础上，通过不同情况下的适应性改进得到。该算法在任务执行前进行一次全局路径规划，无人船通过跟踪所规划的全局路径实现导航。无人船航行过程中遇到危险障碍物并执行避碰操作时，通过将路径重规划引入的全局信息与单独转向局部避碰方法有机结合确定临时导航位点进行单独转向避碰，或在紧急避碰情形下执行变速转向避碰。当无人船脱离碰撞危险后，利用路径重规划技术规划剩余准最优路径并进行跟踪。同时，针对无人船混合路径规划算法的大量先期仿真验证需求，设计了一个包含两个无人船真实系统（无人船主控系统和信息显控与通信系统）和两个虚拟功能系统（无人船运动仿真系统和障碍物仿真系统）的半实物仿真系统，用于为混合路径规划算法提供一个尽可能接近无人船实际运行环境的软硬件系统验证平台。
作者：	汪栋
专业：	信息与通信工程
导师：	张杰;毛兴鹏
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021