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无人船水面目标识别及路径规划研究
| 论文题名： | 无人船水面目标识别及路径规划研究 |
| 关键词： | 无人水面船;路径规划;目标检测;局部避碰 |
| 摘要： | 无人水面船具有自主化、智能化、低成本等优点，能够提高任务执行效率、降低人员风险、节约成本，而自主航行技术是无人船自主执行任务的基础。本文围绕无人船的自主航行技术展开研究，主要包括以下三个关键内容：静态环境下的路径规划、局部避障所需要的水面目标识别与检测、动态环境下的局部避障。本文针对自主航行中的感知和路径规划问题提出了改进的水面目标识别算法、全局及局部路径规划算法，并通过仿真和试验验证了所改进算法的有效性，该算法能够为无人船的自主航行提供技术支撑。以下为论文主要工作： （1）提出了基于改进BTO-RRT算法的无人船全局路径规划方法，能够在静态环境下为无人船规划一条路径长度较短、耗能最少的平滑路径。首先针对原BTO-RRT在大步长情况下出现快速搜索随机树无法采样及三次样条拟合失效的问题，本文提出了基于人工势场的自适应步长采样策略，自适应步长有效解决了上述问题，并且改进后的算法能生成路径更短的优化轨迹，兼顾了生成路径的完备性和路径搜索的速度。然后为节省无人船在水面航行时的能量，使用Corridor约束下的最小化Snap轨迹优化方法代替了BTO-RRT算法的三次样条拟合方法，优化后的轨迹能够使无人船在自主航行中减少能量消耗。最后在河道区域使用搭建的无人船平台进行了试验，验证了改进算法的可行性。 （2）提出了基于海天线划分的水面目标检测方法，为无人船提供未知环境下的水面视觉信息。无人船实现在动态环境下局部避碰的必要条件是获取水面目标信息，本文首先针对传统基于霍夫变换海天线检测方法检测精度低和实时性差的问题，提出了基于Canny边缘检测和直线段检测算法的海天线检测方法，该算法能够快速稳定的识别海天线，为无人船划分可航行区域。然后采用YOLOv5s目标检测算法结合上述海天线划分的感兴趣区域对水面目标进行识别，经过测试对比，基于海天线划分的目标检测算法具有更高的检测精度，最后通过实验表明，该算法在实际场景的应用中表现良好。 （3）提出了基于改进动态窗口算法的局部避碰方法，使无人船在动态环境下按照海事规则合理规避障碍物。首先使用碰撞危险评价指标确定了避碰时机，然后设置避碰航路点引导无人船规避障碍物，最后对无人船在避碰时的航向做出了约束，确保无人船遵守海事规则。经过仿真验证，改进后的算法在追越、对遇、右交叉相遇三种局面下都能够严格按照规则约束进行避障。 |
| 作者： | 周达 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 沙永柏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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