基于海岸线模型的船舶航线规划算法的研究与仿真

发布时间：2017-07-02 11:21

  本文关键词：基于海岸线模型的船舶航线规划算法的研究与仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：船舶作为海运的主要交通工具,正在逐步向高速化和智能化发展,其中航线规划是船舶安全航行研究中最基本最关键的问题之一。航线规划是指在海洋环境中存在障航物(包括恶劣天气影响)的情况下,依据现有的信息寻找出一条从已知起点到终点的无碰撞最短航行路线。本文顺应航线规划的发展潮流,从保证航行安全性、缩短航行距离、节能减排等角度出发,以获得最短航线为目标,结合新型智能算法设计出一种经济适用的航线规划算法。首先,作为航线规划的基础,本文介绍了航线规划的基础理论与方法。其中重点阐述了全局航线规划和气象导航的经典算法,并分析了各个算法间的优缺点。其次,全局航线规划是一种静态的规划算法,在已知起点、终点位置情况下,依据对海洋环境的先验知识规划一条无碰撞的最短航线。在本文的全局航线规划算法中,首先通过建立安全区域来减小搜索范围,提高算法执行效率;然后建立障航物最小凸包围,作为寻找安全航线所需的环境基础;接着将障航物最小凸包围的切点作为可航行点,切点间的航线距离作为权重值,应用Dijkstra算法求取最短安全航线。在安全航线的基础上本文应用离散弧法求取最短航线。在仿真实验中证明算法可以快速找出安全航线及最短航线。再次,气象导航是船舶在海上实时导航的核心,其主要依据气象数据建立气象模型,并根据实时传感器传输的海洋信息结合气象导航算法进行动态航线规划。本文主要使用滚动窗口优化算法实现气象导航功能,由于滚动窗口优化算法只参考当前时刻的环境信息,对过去及未来的环境信息均无任何先验知识,故在仿真实验中出现了因规划航线陷入局部震荡导致无法完成气象导航的问题,为此本文适当考虑历史信息,提出以局部次优子目标代替局部最优子目标的方法,从而达到全局最优的思想。利用常规滚动窗口优化算法有时虽然可以完成全局气象导航,但获得的航线并非全局最短,为此,本文创新地提出一种基于向量的多步滚动窗口优化算法,应用向量法确定船舶处于潜在转向点后,不仅考虑历史信息,还引入了对未来的适当预测,从而使获得的局部子目标满足全局航线最短的要求。然后,建立环境模型验证航线规划算法的正确性。本文中的环境模型包括基于海岸线数据的全局环境模型以及包括气象数据的气象模型两部分。针对全局环境模型,本文依据获取的241条海岸线数据信息,建立了海洋环境模型,并介绍了建模中所使用的墨卡托投影坐标系和WGS-84坐标系,以及其转换方法。针对气象模型,本文利用八邻域轮廓提取法将获取的气象数据中大于危险区域阈值部分的轮廓提取出来,构成气象模型。最后,基于海岸线模型船舶航线规划系统的研究与设计。本文从提高仿真实验效率的角度出发,建立基于MATLAB中GUI可视化程序设计模块搭建仿真平台,设计出一种单机非实时的船舶航线规划仿真系统。该系统主要由全局静态海岸线模型、动态气象模型、全局航线规划及气象导航4部分组成。该仿真系统具有界面友好、操作简单等优点,能够为仿真测试的效果提供可视化的显示信息,帮助快速分析算法的性能。
【关键词】：全局航线规划 气象导航 环境模型 最短航线 仿真系统
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U692.31
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外进展状况11-12
• 1.3 主要工作和研究内容12-14
• 第2章 航线规划基础理论与方法14-21
• 2.1 航线规划的基本概念14-16
• 2.2 航线规划体系结构16-17
• 2.3 环境模型表示方法17
• 2.4 航线规划方法17-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 基于海岸线模型的全局航线规划算法研究21-30
• 3.1 全局规划的预处理21-26
• 3.2 基于Dijkstra算法获取安全航线26-28
• 3.3 基于离散点法获取最短航线28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 第4章 基于改进滚动窗口优化的气象导航算法研究30-46
• 4.1 预测控制理论的基本特征30-31
• 4.2 基于滚动窗口优化的气象导航算法研究31-36
• 4.3 改进滚动窗口优化算法解决局部震荡问题36-41
• 4.4 基于多步改进滚动窗口优化的气象导航算法研究41-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第5章 基于海岸线模型的航线规划系统的研究与设计46-56
• 5.1 航线规划仿真平台的建立46-47
• 5.2 基于海岸线的全局航线规划仿真分析47-50
• 5.3 气象导航仿真分析50-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第6章 结论与展望56-58
• 参考文献58-62
• 作者简介及科研成果62-63
• 致谢63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈华;张新宇;姜长锋;徐国瑞;;水面无人艇路径规划研究综述[J];世界海运;2015年11期

2 张广林;胡小梅;柴剑飞;赵磊;俞涛;;路径规划算法及其应用综述[J];现代机械;2011年05期

3 庄佳园;万磊;廖煜雷;孙寒冰;;基于电子海图的水面无人艇全局路径规划研究[J];计算机科学;2011年09期

4 魏唯;欧阳丹彤;吕帅;冯宇轩;;动态不确定环境下多目标路径规划方法[J];计算机学报;2011年05期

5 朱大奇;颜明重;;移动机器人路径规划技术综述[J];控制与决策;2010年07期

6 徐秀娜;赖汝;;移动机器人路径规划技术的现状与发展[J];计算机仿真;2006年10期

7 张捍东,郑睿,岑豫皖;移动机器人路径规划技术的现状与展望[J];系统仿真学报;2005年02期

8 王仲民,岳宏;一种移动机器人全局路径规划新型算法[J];机器人;2003年02期

9 任留成,杨晓梅,赵忠明;空间墨卡托投影研究[J];测绘学报;2003年01期

10 田涛,潘俊民;基于散焦图像深度测量的一种新方法[J];机器人;2001年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 李岳;坐标转换系统的设计与实现[D];中国地质大学（北京）;2010年

2 曹永恒;基于粒子群优化算法的船舶航迹规划方法研究[D];复旦大学;2010年

  本文关键词：基于海岸线模型的船舶航线规划算法的研究与仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：509719