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基于RRT算法的无人艇运动规划方法研究
| 论文题名： | 基于RRT算法的无人艇运动规划方法研究 |
| 关键词： | 无人艇;运动规划;RRT算法;碰撞检测;随机树分割思想;避障策略 |
| 摘要： | 随着传感器技术、通讯技术和计算机技术的发展，能够自主执行航行任务的水面无人艇（USV）受到了越来越多的关注。运动规划是实现无人艇自主航行的重要基础技术之一，由路径规划和航迹规划发展而来，其主要任务是在考虑无人艇运动特征的前提下，根据具体的航行任务，规划出可供无人艇跟踪的轨迹，或直接给出无人艇的运动控制指令。目前，解决无人艇运动规划问题的一般思路是先进行路径规划，然后再对路径规划的结果作平滑处理，得到可跟踪运动路径。然而由于在平滑处理阶段一般不会考虑碰撞检测问题，所以这种方法可能会产生新的碰撞危险。航线重规划是无人艇执行航行任务时常见的问题之一，现阶段的航线重规划方法一般会舍弃原有的规划成果，对整个任务空间进行格式化更新后再进行规划计算，重规划效率低。因此，本文以 RRT（Rapidly exploring Random Tree）算法为基础，提出了一种考虑无人艇运动约束的运动规划方法和一种高效的航线重规划方法，具体工作包括以下两个方面： （1）提出了一种基于 RRT 算法的无人艇运动规划方法。该方法以无人艇的运动约束模型为基础，在RRT算法的节点连接方面进行了优化，并使用碰撞检测规则实时进行计算。该方法能够有效提高规划结果的可跟踪性，同时避免航线重规划导致的碰撞风险。为验证该方法的可行性和先进性，设置了可行性实验和对比实验，采用不同的任务空间对方法的可行性进行验证，并以节点优化程度和运动规划结果产生碰撞的次数作为量化指标，将该方法与其他运动规划方法进行了比较，明确了其在应用中的优势。 （2）提出了基于 RRT 算法的无人艇航线重规划方法。该方法以随机树分割思想为基础，利用新增障碍物将随机树进行分割得到残余随机树，再以残余随机树为基础生长并生成重规划结果。最后通过实验验证了该方法的可行性，并进一步进行了对比实验、变量影响实验，分析该方法的计算收敛速度及其影响因素。 基于RRT算法的无人艇运动规划方法考虑了无人艇的运动特征，并在规划计算时充分考虑无人艇的碰撞问题，所规划的结果节点优化率为 100%，产生碰撞的可能性为 0，是一种具有一定适用性和先进性的运动规划方法。基于 RRT算法的无人艇航线重规划方法，能够在合理利用原有规划结果的基础上，规避新增障碍物进行重规划计算，相较于其它算法平均耗时缩短了 30%以上，具有较快的收敛速度。 |
| 作者： | 钟富川 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 杨雪锋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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