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基于改进逆速度障碍法的无人艇局部避障策略研究
| 论文题名： | 基于改进逆速度障碍法的无人艇局部避障策略研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;改进逆速度障碍法;COLREGs公约;局部避障 |
| 摘要： | 随着各国海洋强国意识的提高，无人艇在军事、民用等领域的重要性日益突显。在复杂多变海洋环境和各种不可预测会遇危险下，无人艇的高性能自主航行及动态避障成为当前船舶工程领域的研究热点之一。本文面向未知水域内无人艇的高性能动态避障需求，提出了改进逆速度障碍法、最大速度感知逆速度障碍法和模糊控制碰撞危险度模型等无人艇局部避障策略，使无人艇能够处理未知水域内单一目标、多复合目标以及高速移动目标船舶等多种复杂海况下的局部动态避障问题。主要研究工作包括： 首先，针对未知水域局部避障问题，基于逆速度障碍法（IVO）提出并设计了用于快速检测碰撞危险的冲突检测函数，改善了IVO算法计算相对方位时产生的误差影响，解决了碰撞危险检测不及时的问题；并将该改进IVO策略与COLREGs公约相结合，同时设计了考虑船速比和相对方位因素的危险预警区域避障策略以完善处理危险情况的避障规则。仿真表明，相比于速度障碍法（VO）和IVO算法，基于本文改进策略的无人艇不仅可以安全有效避开运动障碍船舶，且避障轨迹更加接近全局规划下的期望路径，减少了航行时间及路程成本，更适合无人艇的工程实际应用。 其次，为有效解决未知海域多运动障碍船舶的避障问题，提出了改进模糊控制碰撞危险度ICR模型，通过选取最近会遇距离、最近会遇时间、相对方位、船距和船速比五个评价指标并考虑无人艇运动学约束，提高COLREGs公约在多目标避障中的约束力，最后以船舶碰撞危险度确定多运动目标的避障次序，并基于上述改进IVO策略进行逐一避障。多种复杂工况下的MATLAB仿真表明，相比于其他算法，无人艇基于本文改进ICR模型下的避障策略能更加快速、有效地判断出威胁性最大的障碍船舶，保障无人艇的安全航行。 最后，本文提出最大速度感知逆速度障碍MIVO策略解决无人艇会遇高速运动障碍船舶时的避障问题。通过提前生成控制量以确保下一控制步骤的可行解，避免发生碰撞危险；针对错误速度选择影响他船正常航行的问题，本文提出了考虑船体运动学约束、COLREGs公约以及航行时间成本等因素的最优速度选择函数，确保无人艇选择符合运动学约束且满足公约要求的最佳速度进行避障。多工况下的仿真结果再次验证了本文所提避障策略的有效性与优越性。 |
| 作者： | 高阳 |
| 专业： | 电气工程 |
| 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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