基于改进遗传算法的水面无人艇避障问题研究

发布时间：2020-06-02 20:40

【摘要】：水环境监测早已成为全球的焦点问题。近年来,对海洋的开发与保护被各国提上日程,探索水资源需要更多的人力物力,水面无人艇的研究得到了世界的重视,已经在侦查行动、海洋巡逻、监视和搜索任务等领域都得到了运用。目前海洋环境及各地水库已经被严重污染,监测和采集水样是重中之重,但固定式装置只能检测一定范围内的水质参数,使用时需要考虑适用范围、安装装置等因素。便携式装置需要人员携带,有时甚至要进到危险的环境中进行监测和采集,存在安全隐患。水面无人艇具有可操作性强、方向控制灵活、人力消耗低、安全性高等优势,但水面上时常出现各种障碍物阻碍无人艇的航行,因此,迫切需要无人艇在行驶时能够智能避障从而完成任务并安全到达终点。本文研究了一种基于改进遗传算法与改进人工鱼群算法相结合的混合算法,该算法能够实现无人艇在复杂的、多静态障碍物的水面环境下的安全航行。论文的主要工作包括以下内容:首先,对遗传算法进行改进,采用精英选择策略的遗传算法,大幅度提高运算速度,防止丢掉找到的最优解。针对算法中各算子的作用,加入保护算子和淘汰算子,设一个小概率,使最优解保留且数量逐代增多,劣质解被逐代淘汰,保证种群的多样性。其次,针对人工鱼群算法中视野和步长两个固定参数使得算法精度不高的缺陷,采用指数函数使视野和步长随着算法的迭代自适应变化,提高算法的精度,防止局部收敛。将改进遗传算法与自适应人工鱼群算法进行结合,在人工鱼群完成觅食、聚群、追尾行为后,插入遗传算法,进行保护、淘汰等操作,逐代更新公告板上的最优解,在提高运算精度的基础上保留最优路径。再次,将改进后的混合算法与人工势场法、蚁群算法、粒子群算法进行比较,分别在MATLAB环境下得到不同的路径,对比证明混合算法在无人艇避障时可以躲避障碍物,且路径最优,验证了算法的实用性。最后,对本文的研究内容做出了总结,指出了工作的不足,并对未来的研究做出了展望。
【图文】：

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外研究现状二战时期，就涌现出了很多无人艇[11]。美国是无人艇研究的先驱国家，，美入巨资用于水面无人艇的研究，研制出了多种型号[12]。法国、新加坡也逐人艇的发展[13]。而对于无人艇的避障控制，则在二十世纪五六十年代便开只提出了关于避障技术的概念，只是通过数学模型来进行模拟行驶，并没到了二十世纪七十年代初，人们进一步提出了更高要求的避障技术。直到能避障技术才被人们发现[14-17]。在无人艇避障研究方面，英国的施普r)无人艇可以用来进行实时的局部路径规划，其思想是遗传算法非线性预thwind Marine 公司制造的“seafox”号无人艇，其规划路径，高效运用了aniel H.Wagner Associates 公司提供了一个可以自动生成环境地图的无人艇大提高了无人艇运行的安全性，使无人艇航行时能保留足够大的安全范围英国施普林格无人艇，图 1.2 是美国的 UOV 无人艇，图 1.3 是以色列的黄y）无人艇。

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图 1.2 美国 UOV 无人艇图 1.3 以色列黄貂鱼无人艇国内研究现状虽然避障技术存在很多问题，尚不成熟。但进入二十一世纪以后，我国在究方面取得了很大的进展。2008 年，我国研发第一艘民用无人艇—“天象一艇由大连海事大学和沈阳新光航天集团一起研制而成，除“天象”外还有“闪，“天象 1 号”总长为 6.5 米，使用碳纤维材料制成，技术先进，是中国无一个重要里程碑。除了传统的人为遥控操作，“天象一号”还可以采用自动当出现障碍物时，可以及时收取障碍物的有用信息，对障碍物及航线进行处而做出正确的判断，改进原先设定的航线，安全高效地做出避让方案。“天人艇已经在 2008 年奥运会的青岛奥帆赛前成功试行，提供了风速、水温等数的圆满举行奠定了坚实的基础[21-23]。“天象一号”外观如图 1.4。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.82;TP18

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