水面無人艇路徑規(guī)劃及自主避障方法研究.pdf

1、隨著水面無人艇的優(yōu)勢(shì)逐漸被關(guān)注，以及國(guó)外對(duì)無人艇發(fā)展的戰(zhàn)略部署和對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，我國(guó)急需大幅提升無人艇智能水平并廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域的呼聲日益強(qiáng)烈。無人艇在復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃和避碰能力是其智能性的重要體現(xiàn)，是智能導(dǎo)航控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文按照“先全局再局部，先靜態(tài)再動(dòng)態(tài)，先單障礙再多障礙，先一般危險(xiǎn)再緊急危險(xiǎn)”的研究順序?qū)訉由钊耄瑖@無人艇路徑規(guī)劃與避障問題展開研究。
　　針對(duì)陸地和島嶼形狀復(fù)雜、岸線不規(guī)則的特點(diǎn)，通過對(duì)

2、 Shapefile矢量文件的深入研究，本文提出了基于 Shapefile電子海圖的矢量繞島法，解決了一般全局路徑規(guī)劃算法簡(jiǎn)化障礙或柵格化環(huán)境地圖造成環(huán)境信息缺失、規(guī)劃不優(yōu)的問題。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了該算法的智能性和耗時(shí)上的優(yōu)越性。
　　針對(duì)在電子海圖中被忽略的小型靜態(tài)障礙，利用粒子群算法求解迅速的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種用相切弧表示路徑的粒子模型，解決了其他路徑粒子模型受維數(shù)線束縛，不自由，不平滑的問題。并且提出基于捕食-逃生切換策略的改

3、進(jìn)粒子群算法，解決了粒子群算法在求解此類多維多峰優(yōu)化問題易陷入早熟收斂，無法找到全局最優(yōu)解的問題。通過測(cè)試函數(shù)以及路徑規(guī)劃仿真，證明了新的路徑粒子模型與改進(jìn)的粒子群算法相結(jié)合，可以迅速穩(wěn)定的規(guī)劃出平滑的繞障路徑。
　　通過深入研究無人艇避障的規(guī)劃與執(zhí)行的關(guān)系，提出將避碰問題劃分為常規(guī)避碰和緊急避碰的指導(dǎo)思想，解決了無人艇大幅避讓時(shí)運(yùn)動(dòng)模型復(fù)雜特殊的問題。根據(jù)無人艇四自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真，提出了常規(guī)避碰運(yùn)動(dòng)能力假設(shè)，并構(gòu)建了緊急避碰時(shí)

4、的運(yùn)動(dòng)能力數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了無人艇自主避障問題的合理簡(jiǎn)化。
　　常規(guī)避碰時(shí)，按照無人艇獲取障礙運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的誤差大小，將障礙劃分為動(dòng)態(tài)已知障礙和動(dòng)態(tài)未知障礙兩種情況。針對(duì)動(dòng)態(tài)未知障礙的較大誤差，提出了基于多項(xiàng)式和粒子群算法的二向擬合，以非常簡(jiǎn)練的方式消除了數(shù)據(jù)誤差，將動(dòng)態(tài)未知障礙轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)已知障礙。針對(duì)動(dòng)態(tài)已知障礙在兼顧避碰規(guī)則以及避碰安全性時(shí)，避碰方向選擇復(fù)雜的問題，提出了基于避碰規(guī)則的偏心膨脹，實(shí)現(xiàn)了避碰方向選擇的極大簡(jiǎn)化。借鑒機(jī)器人

5、路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想，通過建立無人艇與障礙的速度關(guān)系確定避碰參數(shù)。對(duì)于多障礙避碰問題，運(yùn)用模糊理論，提出基于在線障礙更迭思想的多障礙避碰規(guī)劃，通過將多障礙的避碰轉(zhuǎn)化為對(duì)兩個(gè)更迭的障礙的避碰，解決了多障礙避碰規(guī)劃思路復(fù)雜，計(jì)算繁瑣，穩(wěn)定性差的問題。通過多個(gè)仿真試驗(yàn)，證明了偏心膨脹和在線障礙更迭思想的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)潔性、有效性。
　　針對(duì)無人艇的緊急避碰，深入研究了對(duì)避碰成敗造成重要影響的橫傾、速降等因素，以無人艇運(yùn)動(dòng)能力數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過搭

6、建運(yùn)動(dòng)能力與避碰規(guī)劃之間的聯(lián)系，解決了緊急避碰時(shí)無人艇運(yùn)動(dòng)變化復(fù)雜、難以建模、難以簡(jiǎn)化的問題。
　　最后，通過對(duì)全局路徑規(guī)劃算法與自主避障算法的協(xié)調(diào)處理，對(duì)各功能模塊的整合，構(gòu)建了無人艇路徑規(guī)劃與自主避障系統(tǒng)，解決了全局路徑規(guī)劃與局部避碰結(jié)合時(shí)的路線選擇問題。搭建了 Unity3D視景仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人艇運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)重建。通過無人艇從接收任務(wù)到完成任務(wù)的全流程的運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了文章所采用的路徑規(guī)劃與自主避碰算法的可行性與優(yōu)越