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基于改进锁定扫描法的水面无人艇路径规划研究
| 论文题名： | 基于改进锁定扫描法的水面无人艇路径规划研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;锁定扫描法;路径规划;动态避障 |
| 摘要： | 随着国家海洋发展战略的提出，水面无人艇(UnmannedSurfaceVehicle，USV)的研究与开发也成为越来越多学者关注的热点。USV具有高速、智能、无人的特点，具有广泛的应用前景和重要的研究价值，而安全高效的路径规划技术是USV自主完成各种任务的必要条件。本文以USV为主要研究对象，从USV大范围自主航行、动态避障与实时重规划等方面出发，分别着重研究了静态环境下USV的全局路径规划以及动态环境中USV的局部路径规划问题，具体内容如下:首先，锁定扫描法(LockingSweepingMethod，LSM)在解决大范围复杂环境的无人艇路径规划问题方面具有明显优势，但在局部路径规划中对障碍物的处理可能出现局部最优和计算效率低的问题。针对这些问题，本文通过引入速度障碍法(VelocityObstacle，VO)对LSM算法进行改进，提出LSM_VO算法。LSM_VO算法可以充分利用LSM算法全局规划路径相对最优和避障后能快速进行重规划的优点，避免其动态避障时重构势场导致计算效率大幅下降的缺点，且充分利用VO算法动态避障实时性高的优点。通过定性和定量对比实验分析，LSM_VO方法具有实时性高、规划路径光滑的优势，可以较好的满足USV在真实航行海况下路径跟踪以及临时避障决策的需求。 其次，针对海湾场景中交通繁忙，进出港过程存在多动态障碍物避障问题，研究了基于VO算法的多动态障碍物避碰策略，并将其应用到LSM_VO算法中应对多艘运动船只的规避问题。通过仿真实验结果对比分析，验证了算法的有效性和可行性，可以安全完成全任务流程，快速完成多运动障碍物局面的安全航向选择，完成规避后结合全局引导势场进行在线重规划，有效提高了算法可靠性和计算效率，可以解决LSM算法动态避障时存在的大幅度转艏和锯齿形规划航线等问题，更加符合USV自主航行动态避障实时性的要求，且更有利于实艇机动实现。 最后，结合实艇操纵性实验数据，约束无人艇航向角对LSM_VO算法进一步改进，构建LSM_CVO算法。结合实艇操纵性能，进行不同航速路径规划仿真实验，通过在高密度障碍物区域进行全局规划与局部避碰仿真环境、海湾场景多障碍物避碰进行仿真实验，验证了LSM_CVO算法可以较好的满足实艇操纵性的要求。 |
| 作者： | 宋生清 |
| 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： | 2022 |
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