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船舶自主避碰的慎思型轨迹规划

发布时间:2021-02-23 12:38
  基于快速扩展随机树(RRT)算法,提出一种适用于船舶自主避碰的慎思型轨迹规划(DTP)算法,能够耦合处理静态障碍物约束、船舶操纵性约束、轨迹最优性等限制条件,在两个长程路径点之间完成全局轨迹规划,以保证规划轨迹的可行性、完备性和最优性.通过一条案例三体船的自主避碰仿真及航行试验,从多方面验证了所提DTP算法的有效性、优越性和稳定性,对研究船舶自主避碰系统及其应用前景具有重要的意义. 

【文章来源】:上海交通大学学报. 2019,53(12)北大核心

【文章页数】:9 页

【部分图文】:

船舶自主避碰的慎思型轨迹规划


DTP算法的规划结果

轨迹图,轨迹,目标节点


从初始状态矢量M0前往目标节点Mf的轨迹可以表达为一个由两类轨迹基元串联组合成的基元序列.若设定船舶总是采用定常直航的方式接近目标节点Mf,则基元序列的最后一段必然是定常直航的tr基元(u,r)|r=0,u≠0;在基元序列中还需要一段定常回转的tr基元(u,r)|r≠0以完成航向的调整;而为了保证轨迹上任何时刻位置、航向、速度、加速度的连续性,在基元序列中还需要最多两段ma基元以实现不同定常巡航状态的平滑切换,如图1所示.由图1可知,船舶从初始状态M0到达目标节点Mf的可行轨迹可以通过串联最多4段轨迹基元——机动轨迹ma1基元(ma1)、定常回转tr2基元(tr2)、机动轨迹ma3基元(ma3)、定常直航tr4基元(tr4)实现,其中两段tr基元的时长属于可调参数.在MA框架的轨迹基元库中选择不同的tr基元和ma基元进行组合,可以在RRT树节点之间生成多种不同的可行轨迹段,串联这些可行轨迹段最终能够生成多条全局可行轨迹,而这其中必然存在一条全局最优轨迹.

轨迹图,轨迹,全局,搜索过程


在所有全局可行轨迹中,总代价函数C(x)最小的轨迹为全局最优轨迹,其优选过程如图2所示.新节点w与根节点p间有多条可行轨迹段,从中选出代价最小的轨迹段pw(见图2(a));遍历RRT已有节点p、q、s,可以获得通向新节点w的3条可行轨迹段pw、qw、sw(见图2(b));通过比较轨迹代价,在上述3条可行轨迹段中优选出轨迹段pw,并在新节点w与终点g间也生成可行轨迹段,获得1条全局可行轨迹pwg(见图2(c));重复上述过程,得到新的节点h、c,可以获得3条全局可行轨迹pwg、pwhg、pqcg,通过对比轨迹代价获得全局最优轨迹pwg(见图2(d)).2 限制水域自主避碰试验


本文编号:3047605

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