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水面无人艇编队路径规划算法研究
| 论文题名： | 水面无人艇编队路径规划算法研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;编队协同;路径规划;遗传天牛群算法;改进人工势场法 |
| 摘要： | 水面无人艇是一种智能化水面航行器，装配相应设备后可执行各类海上任务。当执行任务复杂且对任务时限及安全性等性能有较高要求时，无人艇通常需要组成编队进行协同工作。路径规划技术是无人艇能够自主完成各类海上任务的首要前提，但一些常规的无人艇编队路径规划算法在安全性、航行效率等性能上较难做到均衡。为此，本文分别基于全局、局部以及综合路径规划的思路逐一解决无人艇编队路径最优性的问题，其研究内容主要包括： 首先，针对复杂海域下无人艇编队的全局路径最优性问题，提出一种基于ε-greedy策略的改进天牛须算法，有效解决了原始天牛须算法易陷入局部最优的问题，又重新设计了适应度函数并引入转向角度与路径点距离的约束限制以避免路径大转角出现；并据此提出了将改进天牛须搜索算法与遗传算法相结合的遗传天牛群GBS算法，使无人艇编队在复杂海况下依然能获得安全性、路径距离、平滑度等性能指标皆最优的全局路径。 其次，为保证无人艇编队在未知动态海况下可以更安全地避开未知障碍物且保持编队队形稳定，提出一种基于改进人工势场法的局部路径规划策略，设计了基于动态系数与横向力的改进斥力场函数以解决局部最优的问题，令无人艇避障性能得到提高；同时提出并设计了内部力模型，在确保无人艇编队队形稳定的同时亦避免了编队内无人艇间的相互碰撞，整体编队安全得以保证。针对无人艇编队与动态障碍物的避障问题，提出一种分级避障策略，确保无人艇编队在各种场景会遇动态障碍物时皆具较高的安全性。 最后，本文研究了不同海域环境下无人艇编队的综合路径规划问题。通过设计路径点优选判断机制，确保由基于本文GBS算法下全局路径及改进人工势场法下局部路径所构成的综合路径依然具备最优性；为解决综合路径在密集分布障碍物、狭窄水道等复杂海域内编队队形恢复困难的问题，提出采用改进市场拍卖法的编队点位分配机制并设计了针对不同复杂海域的编队模式，通过模式切换提升编队对不同海况的适应性。 文中针对本文上述所提的无人艇编队全局路径规划、局部路径规划以及综合路径规划均进行了相应的仿真实验研究，并与一些典型的算法进行了对比实验，各实验结果表明，基于本文算法下得到的全局路径在安全性、平滑度、路径距离等指标上均表现最佳，局部规划下的无人艇编队能安全有效通过各种复杂海域且队形稳定性好。本文所提算法为无人艇编队提供了一套完整的综合路径规划方案，且该算法计算量小，收敛速度快，较为适合无人艇编队的工程实际应用。 |
| 作者： | 樊宇 |
| 专业： | 电力系统及其自动化 |
| 导师： | 赵红;王宁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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