USV路径规划算法的研究

发布时间：2017-07-31 17:13

  本文关键词：USV路径规划算法的研究

  更多相关文章： 水面无人艇 体系结构 行为 多目标优化 算法

【摘要】：随着科技的飞速发展,装备的无人化程度不断提高,水面无人艇在军事和民用领域的作用日渐突出,其发展受到世界各国高度关注。自主航行作为水面无人艇的一项关键技术,朝着模块化、体系化、智能化方向发展不断发展。水面无人艇在执行任务时需要高度的自适应性和智能化程度,在复杂的海洋环境中实时、自动的规划出一条安全、经济、高效的路径。路径规划分为全局路径规划和局部路径规划。其中全局路径规划算法的研究已经比较成熟,本文在全局路径规划的基础上,主要研究了水面无人艇按照全局路径航行时,在有动态物标的环境下实时动态避让,规划出符合海上避碰规则的局部路径。本文首先简要介绍国内外水面无人艇的研究现状及发展趋势;接着分析了智能体控制体系架构和水面无人艇应当遵守的国际海上避碰规则。提出将混合式控制体系架构运用到水面无人艇的路径规划算法中,在慎思层利用栅格法对静态海洋环境建模,运用A星算法进行全局路径规划,并且将规划好的航路点信息发送到反应层;在反应层,运用反应式行为的感知—规划模式进行局部路径规划。位于反应层的局部路径规划中有航路点行为、动态避碰行为,水面无人艇虽然能避开移动物标,但规划出的路径不一定满足避碰规则的要求,容易给有人船只的航行安全造成影响。本文在动态避碰行为的基础上融合海上避碰规则,在动态避碰行为中加入一个符合规则要求的参数,构建对遇行为、交叉相遇行为。当有多个行为参与到对艇的控制中时,运用多目标优化算法,采用分支定界法对决策空间进行搜索,提高搜索效率,快速生成控制决策。最后基于开源软件进行有针对性的程序开发和优化,实现了水面无人艇沿规划好的全局路径航行中,设计了对遇和交叉相遇两种会遇局面,进行基于行为的实时避让有碰撞危险的动态物标的仿真实验,结果满足作业任务的需求及避碰规则的要求,验证了算法的合理性和有效性。
【关键词】：水面无人艇 体系结构 行为 多目标优化 算法
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 选题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.2.3 发展趋势12-13
• 1.3 研究内容及结构安排13-15
• 第2章 USV路径规划的概念15-25
• 2.1 智能体控制体系结构15-17
• 2.1.1 慎思结构15-16
• 2.1.2 反应式结构16
• 2.1.3 慎思/反应混合结构体系16-17
• 2.2 路径规划算法17-23
• 2.2.1 全局路径规划算法17-21
• 2.2.2 局部路径规划算法21
• 2.2.3 混合式结构下路径规划方案21-23
• 2.3 混合式结构体系下融合避碰规则23-25
• 2.3.1 国际海上避碰规则概述23
• 2.3.2 基于规则的对体系结构的改进23-25
• 第3章 基于行为的反应式路径规划算法25-36
• 3.1 USV控制结构25-26
• 3.2 多目标优化算法26-31
• 3.2.1 基于行为的智能控制体系结构26-27
• 3.2.2 行为选择机制27-28
• 3.2.3 多目标优化算法28-31
• 3.3 多目标优化求解算法31-36
• 3.3.1 分支定界32-33
• 3.3.2 多目标优化求解33-36
• 第4章 基于避碰规则对算法的改进36-51
• 4.1 行为的概念36
• 4.2 行为的构建36-43
• 4.2.1 航路点行为36-40
• 4.2.2 动态避碰行为40-43
• 4.3 IvP函数43-44
• 4.4 基于避碰规则的行为44-51
• 4.4.1 对遇局面下的行为45-47
• 4.4.2 交叉相遇局面下的行为47-49
• 4.4.3 行为函数融合避碰规则49-51
• 第5章 算法程序设计51-58
• 5.1 程序功能设计52-53
• 5.2 局部路径规划的设计53-55
• 5.2.1 路径规划器组成及功能53-54
• 5.2.2 自主决策模块的原理54-55
• 5.3 行为实现的类55-58
• 第6章 仿真验证及结果分析58-63
• 6.1 采用A星算法实现路径规划58-59
• 6.2 基于反应式行为的局部路径规划59-63
• 6.2.1 对遇局面59-61
• 6.2.2 交叉相遇局面61-63
• 总结63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 作者简介69

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本文编号：600221