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基于概率地图采样的无人艇路径规划方法
| 论文题名： | 基于概率地图采样的无人艇路径规划方法 |
| 关键词： | 水面无人艇;路径规划;概率地图采样;环境建模;避碰决策 |
| 摘要： | 水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)作为一种智能无人化平台，是海洋技术发展的重要产物。USV技术发展围绕任务内容为核心，在海洋探索开发和军事应用领域得到了广泛应用。USV自主导航技术成为主要问题之一，其中路径规划问题成为关键环节，高效、可靠并能够实时避障的路径规划对于USV来说是至关重要的。为此，本文在了解常用路径规划方法、总结目前USV路径规划存在问题的基础上，提出基于概率地图采样的路径规划算法。 本文阐述了水面无人艇路径规划问题相关内容,根据USV路径规划的功能对常见的规划方法进行分类和对比，总结USV路径规划的特点，通过对不同环境建模方法的现状进行了解，从不同环境模型和采样搜索方式的角度归纳了目前USV路径规划算法存在的问题。 课题在概率地图法雏形的基本原理上对其进行的改良，采用栅格法将原始地图划分为可行与不可行区域，在构建地图时通过边缘膨胀来表示涨潮和退潮，将USV的回转半径视作边缘膨胀的部分，保证无人艇工作航线的安全性；使用随机采样的方式，获得若干位于栅格顶点且不与障碍物重合的点，参照RRT算法采用随机扩展树产生新节点的方法，避免因规划空间与步长不均衡而产生的规划失败任务占用大量的运算时间。改进的PRM法可以通过限制采样点的数量减少计算量，以此来保证路径搜索更迅速地得到最优路径或次优路径，通过调整节点数目和限制步长达到更好的效果。 其次，本文对海上航行的避碰流程进行了总结。阐述了障碍物识别和建模方法，对USV与障碍物的避碰运动参数和航速调整后最近会遇距离及最小会遇时间进行计算，并引出了碰撞危险度的计算方法；分析了USV与障碍物可能的会遇局面，按照国际海事规则的规定分析会遇双方应做出的避碰措施；融合人工势场法，引入虚拟势场解决局部避障问题。 最后，通过对不同潮汐环境设定和电子海图建立栅格地图的全局路径规划仿真验证了其有效性，其次通过改进的PRM进行全局路径规划不同对照组的结果及用时对比总结了采样点数量、步长限制对和结果的影响，并对引入虚拟势场的局部路径规划进行仿真验证，通过引力势场和斥力势场的叠加，完成两节点之间路径的局部避障。 |
| 作者： | 陈鑫 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 陈桦;任佳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西安工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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