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原文传递基于改进蚁群算法和动态窗口法的水面无人艇安全路径规划研究

论文题名：	基于改进蚁群算法和动态窗口法的水面无人艇安全路径规划研究
关键词：	水面无人艇;路径规划;蚁群算法;动态窗口法
摘要：	21世纪是海洋的世纪，海洋在国民经济发展和地缘政治中的地位显著提升。水面无人艇作为一类重要的海洋作业平台，可以全天候地在各种恶劣条件下工作，大大降低人力成本以及潜在风险，越来越受到世界各国、各行业的广泛关注。实际海洋环境极为复杂，大部分隐蔽、动态的未知障碍物无法预先探测得知，可能会对无人艇航行任务的安全性产生不确定的动态威胁，如果无人艇没有能力及时采取安全措施对这些突发情况进行处理，会导致严重的事故，影响无人艇的任务质量与执行效率，甚至会直接导致任务失败。因此在无人艇的信息决策层中，可靠、安全的路径规划是实现自主导航的前提，路径规划具体是指物体在一定的约束条件下，从起始点出发，寻找到一条躲避障碍物的路径到达目标点，并且要求这条路径达到某种性能指标最优，路径规划在交通规划、车间作业、机器人、无人机等多个领域应用广泛，因此如何实现一种高效的路径规划方法是一个热点研究方向。本文对于水面无人艇在不同工况下的路径规划任务进行分析，提出了分层的全局路径规划方法和局部路径规划方法，最终对其进行融合操作。　　本文首先对课题的研究背景和意义进行了分析，介绍了无人艇的国内外现状，然后阐述了蚁群算法的研究现状和已有的路径规划算法及空间建模方法，在结合图论的相关知识后，采用栅格法建立了空间模型。目前，大部分基于智能优化算法的路径规划算法存在收敛速度慢、路径安全性差等问题。蚁群算法作为一种用于求解组合优化问题的启发式优化算法，由于其具有正反馈特性、良好的并行性及较强的鲁棒性等优点，被广泛地应用于旅行商问题、车辆寻路问题和路径规划等众多组合优化问题中。本文提出了一种基于改进蚁群算法的全局路径规划方法，通过在算法开始前进行信息素不均等分配初始化从而加速算法的收敛，在前辈蚂蚁发生死锁后调整后续蚂蚁的搜索策略，同时改进了信息素的更新方式，在不同的栅格环境下对改进算法的仿真实验验证了改进算法相对于基本算法，在最优路径长度、死锁次数、收敛迭代次数等方面均有较大的提升，总体上具有更优越的性能表现。　　之后，为了完成水面无人艇的局部路径规划任务，本文提出了一种基于改进的动态窗口法的局部路径规划算法，此算法设计了新的综合评价函数，解决了传统动态窗口法在实际应用中可能会遇到的问题，提高了动态窗口法面对未知障碍物时的避碰性能。在不同环境中对其进行仿真实验，实验结果表明了相对于传统的动态窗口法，本文提出的改进算法可以更加安全可靠地完成局部避碰。　　最后本文根据上述提出的两种规划方法，提出了一种无人艇的分层融合路径规划算法。此种融合算法可以在利用全局已知信息得到全局最优路径的同时，很好地应对未知的动态障碍物进行避碰，能够以优越的性能更好地完成实际情况中的路径规划任务，提高无人艇在执行任务期间的安全性，保障后续执行效率。
作者：	戴润杰
专业：	计算机技术
导师：	温广辉;李亚平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022