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水面无人艇路径规划及避障策略的研究
| 论文题名： | 水面无人艇路径规划及避障策略的研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;海洋环境模型构建;全局路径规划;局部避障 |
| 摘要： | 作为国家海洋实力重要体现之一的无人艇已经成为国内外海洋工程领域的一个研究热点，其路径规划及避障技术是无人艇能够完成各类任务的前提，本文在综合考虑无人艇任务要求、航行环境等条件下，针对无人艇路径规划和避障技术展开了如下研究。 鉴于海洋环境模型构建是后续路径规划研究必要的基础性工作且传统二值化方法容易造成海图误差的问题，本文提出了一种基于改进K-means算法的海洋环境模型构建方法，通过引入任务已知的规划起点与终点作为K-means算法生成聚类簇的标记，并将聚类簇划分的起点簇、终点簇和不可行簇用以分别对应海图中的起点区域、终点区域和不可行区域，实现了对任务海域的准确划分。 然后，针对无人艇全局路径规划中直航和巡逻两种常规任务展开了研究。直航任务时，本文综合考虑了与无人艇尺寸相关的路径长度、安全程度及急转频率等约束，提出了一种考虑无人艇尺寸的多约束改进FMS（快速行进平方法）直航路径规划方法，此方法基于上述约束分别设计了评价函数对不同阈值下FMS算法规划的路径进行评价，通过本文设计的快速寻优法获得满足多约束的直航路径；巡逻任务时，考虑无人艇巡逻路径规划特点以及无人艇航行运动特性，本文设计了结合巡逻顺序优化和路径平滑优化的双层优化方法，令巡逻路径更加合理且实用。 此外，针对密集未知静态障碍物海况和未知动态障碍物海况下无人艇的安全、有效避障问题，本文基于动态窗口法（DWA）分别提出了模糊动态双窗口（FDDWA）避障策略和基于Q学习的改进型DWA避障策略。FDDWA避障策略设计了用于分析与处理障碍物分布情况的感知窗口与密集度函数，感知与速度窗口构成双窗口模型，采用模糊策略动态调整评价函数中的参数，提高了密集障碍物海况下无人艇的避障性能；基于Q学习的改进型DWA避障策略建立了无人艇动态避障简化模型，兼顾无人艇运动特性的同时将Q学习与DWA相结合，令无人艇与动态障碍物相遇时具有更高的实时避障性能。 针对上述策略文中均进行了相应的仿真研究，并与一些典型算法进行了对比，其结果表明：本文提出的海洋环境模型构建方法不仅适用性强，而且能够准确描述海图信息，在此基础上设计的直航路径规划方法能够得到考虑无人艇尺寸各种约束下的最优直航路径，同时采用本文方法优化过的无人艇巡逻路径更具经济性和实用性；而且本文提出的FDDWA避障策略和基于Q学习的改进型DWA避障策略可以令无人艇具有更高的避障性能。仿真研究验证了本文所提无人艇路径规划及避障策略的有效性、优越性。 |
| 作者： | 张金泽 |
| 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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