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基于改进天牛须搜索算法的USV路径规划研究
| 论文题名： | 基于改进天牛须搜索算法的USV路径规划研究 |
| 关键词： | 水面无人船;控制系统;天牛须搜索算法;路径规划;船舶避碰 |
| 摘要： | 水面无人船作为智能船舶领域的重要组成成员，在海洋巡逻、军事侦察以及资源开采等诸多领域发挥着不可替代的作用。智能导航控制系统是无人船实现无人驾驶的关键技术，而路径规划为无人船的自主航行规划了可行航线作为无人驾驶的决策，是无人船智能导航系统中的重要技术组成。路径规划算法是水面无人船航线自动生成的核心技术，本文结合天牛须搜索算法对无人船的路径规划技术展开研究，针对无人船在水域中的航行特点设计了全局路径规划和局部路径规划算法，通过仿真实验的对比和分析验证了算法在水面无人船路径规划上的可行性和优越性。 首先，本文对天牛须搜索算法全局路径规划的特性展开分析，由于算法采用单体智能搜索并且没有进行梯度运算的特点虽然降低了算法的难度但是同时也导致算法的随机性强和稳定性差的问题，本文基于以上问题将单体天牛搜索机制改进为群体搜索机制并采用与障碍物距离的变化而变化的动态搜索步长代替固定步长，提高了算法稳定性同时提高了局部搜索区域。针对无人船不易于大幅度转向的特性在算法的适应度函数中设计了最大转向角的约束函数，考虑到生成的路径是折线路径以及在拐点出不连续可导，采用贝塞尔曲线对路径进行了平滑处理。最后通过仿真验证了改进天牛须搜索算法比原始算法更适用于无人船的路径规划。 其次，建立了模拟海图环境，在海图环境下将改进算法与目前应用于水面无人船路径规划的人工势场法和快速搜索随机树算法进行了路径规划的仿真对比，根据路径长度、最大转向角和累积转向角等评价指标验证了改进算法的优越性。采用模糊PID控制器对三种算法生成的路径进行跟踪仿真，根据跟踪时间、最大跟踪误差和平均跟踪误差等评价指标验证了改进算法的优越性。 最后对改进天牛须搜索算法的无人船局部路径规划展开研究，建立了无人船与动态他船的动态避碰模型并提取避碰参数DCPA和TCPA，建立基于DCPA和TCPA的船舶碰撞危险度模糊数学模型，结合船舶碰撞风险度模型和海洋避碰公约建立算法的适应度函数在动态会遇时进行局部路径规划。避碰结束后的复航阶段设计了一种原路径对无人船的吸引函数使复航规划阶段可以无人船快递回到原路径。最后通过多种会遇局面的局部路径规划仿真和混合路径规划仿真验证了改进天牛须搜索算法可以进行水面无人船的局部路径规划。 |
| 作者： | 石恒泽 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 薛开 |
| 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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