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原文传递基于自航船模的智能航行路径规划实验系统研究

论文题名：	基于自航船模的智能航行路径规划实验系统研究
关键词：	自航船模;智能航行;路径规划;操纵性;哈里斯鹰算法;避碰算法
摘要：	实船航行时，航行环境以及船舶操纵特征都是多变的，会对船舶智能航行路径规划算法造成一定干扰，具体影响机理复杂，难以使用数学模型进行精确描述，而目前提出的路径规划算法其有效性大多是通过仿真模型进行验证的，未充分考虑船舶在实际航行中环境因素和船舶操纵性能的变化，因此其算法可靠性有待进一步验证。针对这一问题，本文基于自航船模开展了智能航行路径规划实验系统设计与研究，为智能航行路径规划算法的开发与测试提供实验平台，在实际应用之前充分完成模型测试，控制自主航行路径规划的技术风险。　　（1）搭建缩比自航船模实验平台并进行自航船模操纵运动建模。缩比自航船模实验平台包括船端、岸端和船岸通讯三部分。船端主要基于STM32开发了自航船模控制板，用于船端驱动和信息处理；岸端主要以工控机软件为主，用于控制决策并下发运动指令；船岸通讯则按照预定协议通过数传模块来完成。在此基础上，开展自航船模的操纵性试验，包括：Z形试验、旋回试验和航向保持试验。通过Z形试验获取舵角、航向等数据，构造输入-输出样本集，利用最小二乘支持向量机方法进行参数辨识，从而构建自航船模的二阶非线性响应模型；与此同时，通过旋回试验得到自航船模旋回圈大小的几何要素，通过航向保持试验得到不同工况下自航船模最优的比例-积分-微分航向控制参数。　　（2）面向自航船模采用哈里斯鹰算法进行全局路径规划算法模块设计。首先，利用栅格法建立静态环境模型。然后，基于哈里斯鹰算法进行全局路径规划方法研究，分析了哈里斯鹰算法的不足，提出自适应调节初始逃逸能量、保留个体历史最优解和初始位置正态分布的策略优化哈里斯鹰算法。最后，给出改进哈里斯鹰算法的全局路径规划实现流程，并通过MATLAB仿真验证了改进哈里斯鹰算法在全局路径规划算法模块设计上的优异性。　　（3）面向自航船模采用速度障碍法进行局部避碰算法模块设计。首先，建立两船会遇的局部环境模型。然后，基于速度障碍法进行局部避碰方法研究，分析了速度障碍法在船舶动态避碰时的弊端，结合海上实际避碰情况，引入船舶领域对速度障碍区域进行优化，引入动界确定避让时机，引入《国际海上避碰规则》对避碰航向进行约束。最后，给出改进速度障碍法的局部避碰实现流程，并通过MATLAB仿真进行了典型会遇场景下的避碰仿真实验，验证了改进速度障碍法在局部避碰算法模块设计上的有效性。　　（4）开展自航船模的路径规划实验。通过航迹跟踪试验检验了视线法用于自航船模路径跟随的控制精度。在此基础上，开展自航船模的全局路径规划试验，验证了本文所提全局路径规划算法在实际应用中的合理性；开展三种典型会遇冲突场景下的自航船模避碰试验，验证本文所提局部避碰算法的安全性、可靠性和实时性。
作者：	祝添权
专业：	交通运输工程
导师：	初秀民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022