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多水面无人艇区域覆盖路径规划技术研究
| 论文题名： | 多水面无人艇区域覆盖路径规划技术研究 |
| 关键词： | 多无人艇;路径规划;区域覆盖;IMSTC算法;IOMSTC算法 |
| 摘要： | 水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）凭借能耗低、操作灵活、可兼容性强等优点，在海洋资源勘测、海域测量、水质监测以及海面清洁等区域覆盖任务中具有广阔的应用前景。作为无人艇关键技术之一的路径规划技术是无人艇自主、高效、安全地完成上述区域覆盖任务的根本保障，而引入多无人艇能大幅度提升任务完成效率。本文分别面向障碍物信息已知和未知海况，提出兼具覆盖高效性与应用广泛性的多无人艇区域覆盖路径规划方案，主要内容包括： 首先，针对障碍物信息已知的静态海况提出了基于生成树的IMSTC算法，即通过重新设计权值评价函数作为构造各无人艇生成树的依据，并引入二次回溯法配合权值评价函数共同完成各生成树的构造，令各无人艇以更高效率执行区域覆盖任务，且在一定程度解决了其他算法所存在的路径转向次数过多的问题；针对特殊复杂海况下可能产生的一些重复覆盖路径问题，在上述IMSTC算法基础上提出基于拍卖机制的重规划算法，有效地减少了路径重复覆盖率。通过仿真研究不仅验证了所提IMSTC算法的有效性，且相较于其他一些典型算法，本文算法在路径一致性、转向次数等性能上的优越性亦得以验证。 随后，针对障碍物信息不明的未知海况下多无人艇区域覆盖路径规划问题，提出了IOMSTC算法，即利用船载传感器探测到的局部障碍物信息与各无人艇的位置信息，基于所提的改进权值评价函数在线构建生成树，并设计了一套区域覆盖路径规划策略完成后续节点的动态决策，令未知海况下的多无人艇区域覆盖路径具有一致性佳、转向次数少的优点；针对包含多未知小障碍物的复杂海况，为解决一些算法存在的区域覆盖不完整问题又提出了IOMSTC+BINN算法，以尽量避免重复路径的方式完成对小障碍物周围区域的覆盖。与S-MSTC、ES-MSTC等典型算法的仿真对比实验表明，在路径一致性、覆盖率、转向次数、完成时间等路径性能指标上，本文算法均表现上乘。 最后，针对多无人艇区域覆盖路径规划技术的实际应用展开研究。首先基于三次贝塞尔曲线对上述路径规划得到的直角转向处路径进行优化处理，令所设计的平滑路径更加符合实际应用中无人艇在动力学与运动学上的约束要求；之后以大连市某港口处真实海域作为三条无人艇区域覆盖的任务海域，并利用栅格法完成了该海域基于实际卫星海图的模型构建，并据此开展了基于本文IMSTC、IOMSTC以及IOMSTC+BINN算法下区域覆盖路径规划的应用研究，仿真研究结果再次验证了本文所提算法的有效性。 |
| 作者： | 程欢 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 赵红 |
| 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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