船舶路径规划算法的研究

发布时间：2020-07-01 07:50

【摘要】：海洋运输在当前各国之间的贸易中扮演着极其重要的角色。而船舶的路径规划问题一直深刻影响着海洋运输的发展,并且其逐步向智能化方向发展。近年来,随着各种智能算法的提出和广泛应用,路径规划问题研究取得了较好成果,但也存在一些问题。本文对路径规划问题进行了深入地分析和研究,以航线距离、实际操作性、航行安全性等为目标,设计了一种基于简单模型的船舶路径规划算法。首先,采用Graham算法对环境边界和障碍物建立凸多边形模型以简化环境模型,提高算法运行效率。基于链接图法建立海洋环境模型,再利用单源最短路径Dijkstra算法在所建立的环境模型上规划出初始路径。其次,在利用线性递减惯性权重粒子群算法进行路径规划后,采用删除冗余点的方法进行平滑优化处理以增强路径的实用性,使船舶能安全高速航行。针对线性递减惯性权重粒子群算法存在的容易陷入局部最优、解的精度差等问题,本文在该算法的基础上提出了改进方法。引入混沌理论,通过混沌序列对种群进行初始化,保证初始粒子的质量和分布的均匀性;建立多种群机制平衡种群的全局搜索能力和局部搜索能力,加快算法的收敛速度,提高解的精度。再次,运用滚动窗口算法实现对包含台风等动态障碍物环境下的路径规划。但由于滚动窗口算法存在可能陷入局部振荡、所得路径并非全局最短等问题,因此采用一种将全局静态路径规划和局部动态路径规划相结合的改进的动态避障策略。若在当前滚动窗口探测到台风时,基于滚动窗口的动态路径规划参考全局静态路径规划的路径点。该算法不仅可有效规避台风威胁区域,而且由于充分利用了全局路径规划路径点,遵循了路径最短原则,所得为全局最短路径。最后,基于Matlab中GUI可视化程序设计模块搭建了船舶路径规划仿真平台,完成海洋环境建模、初始路径规划、全局静态路径规划和动态避障的仿真。通过该仿真平台,将本文提出的改进算法和线性递减惯性权重粒子群算法进行了对比。实验结果表明改进的算法具有更好的性能,特别是在复杂环境下进行船舶路径规划时,可快速完成全局路径规划,而且所得路径更优。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82
【图文】：

Voronoi图,Voronoi图,对偶,障碍物

起点、终点以及所有障碍物的顶点用不与障碍物相交的直线进行两两相连，最终构成一张无向网络图。可视图中的路径均为无碰撞路径，通过某种搜索算法即可得到所需最优路径。可视图法具有算法灵活、实现简单的优点，但其也有一些明显的缺点，如不能对圆形障碍物进行有效处理，每次搜索都要重新构建可视图，比较耗费时间。针对可视图法存在的一些问题，一些研究学者对该方法进行了改进，其主要包括切线图法和 Voronoi 图法[32, 33]。切线图法的弧采用障碍物的切线表示，所生成的路径即为贴着障碍物的最短路径。但船舶在行进过程中若出现控制不当就会与障碍物碰撞，造成较大事故。Voronoi 图法针对切线图法的缺点进行了改进。在该方法中选取路径时尽可能远离墙壁和障碍物，这虽然会造成起点到终点的路径变长，但其可以有效避免由于控制不当出现的船舶与障碍物的碰撞情况。Voronoi 图有多种生成方法，对偶生成法是其中较常见的一种方法。该方法原理如图 2-1 所示。首先生成对偶元 Delaunay 三角网，对三角网中的每个三角形的每一边作中垂线，形成以每一三角形顶点为生成元的多边形网，最终形成Voronoi 图。

栅格法,环境建模,栅格

2.2.2 栅格法栅格法[34, 35]是一种离散化的建模方法，其基本思想是采用一系列具有一定分辨率的栅格表示环境，并且分别标示这些栅格以完成对环境的系统建模。运用栅格法进行环境建模如图 2-2 所示。栅格法的关键是栅格的标识，该方法有利于栅格地图的创建和维护。栅格的大小直接影响了路径规划的精度和规划时间的长短。栅格划分的越小，环境分辨率越高，其对密集障碍物环境的处理能力更强，但这将需要更长的规划时间及增加环境信息的存储量。由于栅格划分的大小与环境信息存储量和规划时间成负相关，当划分较大的栅格时，环境的分辨率会下降，在密集障碍物环境下可能得不到有效的路径。栅格法目前仍然是研究较为广泛的方法之一。

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