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USV集群系统协同路径规划方法研究
| 论文题名： | USV集群系统协同路径规划方法研究 |
| 关键词： | 协同路径规划;全局路径规划;水面无人艇;冲突消解 |
| 摘要： | 水面无人艇(UnmannedSurfaceVehicle，简称USV)是一种重要的水面机器人，无论是在军用领域还是民用领域都有广泛的应用前景。近年来越来越多的学者关注并参与到对USV的研究中来，然而USV的自主性还有待提高，尤其是在复杂地图环境中集群系统全局路径规划的协同问题还未得到妥善的解决。本文将USV集群系统作为研究对象，针对在海流影响下的USV全局路径规划进行研究，具体的研究工作如下: (1)针对海流影响下的单USV全局路径规划无法同时满足多个规划目标的问题，提出了一种海流环境下的USV全局多目标路径规划算法。首先构建以电子海图为基础的栅格化环境，并在其中增加海流。对USV全局路径规划问题进行分析，由于USV在海洋中航行时会受到海流等外界因素的影响，因此将海流影响以抵偿USV速度大小和方向的方式放入多目标航迹规划的考量中，构建海流环境下的USV多目标优化函数与约束条件，以传统遗传算法为基础，采用非支配排序的方式得到Pareto前沿的解作为最优路径。随后设计对比实验，在地图中设置不同海流，结果表明有海流的场景中路径的多个目标之间存在冲突，并且海流的速度影响路径规划结果;在地图中添加海流验证了本文提出的多目标算法的性能。实验表明，在有海流影响的环境下通过该算法规划出的路径在多个目标维度上都有非常好的表现。 (2)针对USV集群系统的全局路径规划易产生路径之间冲突的问题，提出了一种采用冲突处理的协同路径规划算法。首先将系统中路径的协同问题分为时间协同与空间协同，时间协同通过添加相应的约束条件解决，空间协同则需要对路径冲突进行处理。随后对路径冲突问题进行分析，设计了冲突定位的方式，并根据USV本身的特点设置了优先级，根据冲突情况新增路径约束以及设计了路径重规划，在算法中加入对路径阶段式处理的策略。随后设计了冲突消解实验，通过冲突处理后原本有冲突的路径消除了冲突，新生成的路径安全无碰撞;设计了变换海图的USV集群系统路径规划实验，结果显示在不同海图环境下本文提出的协同路径规划算法可以规划出无交叉的安全路径，具有协同性。 通过以上研究，本文设计的算法可以为USV集群规划出同时满足不同目标的多条路径，并且满足协同性，保障了USV集群系统航行路径的安全。 |
| 作者： | 王伶俐 |
| 专业： | 软件工程 |
| 导师： | 刘海波;韩丽丽 |
| 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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