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随着无人驾驶技术的发展,无人船舶成为未来海上航行的研究热点。水面无人艇作为一种小型化无人驾驶船,在军事和民用领域得到了广泛的应用。发展无人艇不仅能扩展海军装备的多样性,而且能提高我国海洋利益保障能力,对国防建设和经济发展具有重要的意义。避碰决策是无人艇的关键技术之一,在提高航行安全性方面起着重要的作用。目前提出了许多无人艇的避碰方法,全局路径规划法具有路径短和时间最优等特点,在无人艇避碰中有着良好的表现。由于该方法未考虑无人艇运动特性和环境等约束,直接应用到无人艇存在实际航迹差异较大的问题。局部避碰方法具有准确性好和实时性高等特点。虽然该方法考虑了外界干扰对无人艇操纵性的约束,但是存在着避碰偏航过大和航路较远等问题。因此,针对上述问题,本文研究基于全局路径规划和局部避碰相结合的避碰算法,并在3吨级水面无人艇平台上搭建避碰系统,进行无人艇湖上试验验证。主要研究内容和成果如下:
针对现有的路径规划算法容易陷入局部最优解和目标点不可达的问题,设计了基于改进型人工势场的路径规划算法。根据无人艇航路要求,通过添加目标点距离变化的幂函数,改进了斥力场模型。采用基于安全到达半径的目标点判定法,筛选危险目标点。通过动态调整人工势场系数,使无人艇跳出局部最优陷阱。仿真表明,该算法跳出局部极小值点陷阱的时间约为5秒,在目标点半径24.23米范围内存在多个障碍物的情况下,算法规划的路径能够到达该目标点。
针对规划的路径难以满足无人艇的运动操纵特性要求的问题,设计了基于行为约束的局部避碰算法。通过对无人艇避碰场景和运动特点分析,构建了满足无人艇运动特性、动态障碍物避碰、海事避碰规则的行为约束条件。建立了航向和航速的优化目标函数,通过求解该目标优化问题得到最优的避碰航向和航速值。结合上述路径规划和局部避碰算法,给出了避碰方案,通过全局路径来约束局部避碰行为,使无人艇能够沿最优路径复航。仿真表明,在无人艇10节航速下,安全避让距离控制在48.45-72.68米范围内,避让幅度保持在20度内,复航时间约为7秒。
在3吨级无人艇平台上搭建了避碰系统,部署了上述的路径规划和局部避碰算法,并进行了湖上测试。测试结果表明,该避碰算法既能使无人艇及时复航,避碰符合运动操纵和实时性要求。在无人艇10节航速下,复航时间控制在10秒内,避让距离在6-9倍艇长范围内,避让幅度在22度内,避碰响应时间为2-4秒。
针对现有的路径规划算法容易陷入局部最优解和目标点不可达的问题,设计了基于改进型人工势场的路径规划算法。根据无人艇航路要求,通过添加目标点距离变化的幂函数,改进了斥力场模型。采用基于安全到达半径的目标点判定法,筛选危险目标点。通过动态调整人工势场系数,使无人艇跳出局部最优陷阱。仿真表明,该算法跳出局部极小值点陷阱的时间约为5秒,在目标点半径24.23米范围内存在多个障碍物的情况下,算法规划的路径能够到达该目标点。
针对规划的路径难以满足无人艇的运动操纵特性要求的问题,设计了基于行为约束的局部避碰算法。通过对无人艇避碰场景和运动特点分析,构建了满足无人艇运动特性、动态障碍物避碰、海事避碰规则的行为约束条件。建立了航向和航速的优化目标函数,通过求解该目标优化问题得到最优的避碰航向和航速值。结合上述路径规划和局部避碰算法,给出了避碰方案,通过全局路径来约束局部避碰行为,使无人艇能够沿最优路径复航。仿真表明,在无人艇10节航速下,安全避让距离控制在48.45-72.68米范围内,避让幅度保持在20度内,复航时间约为7秒。
在3吨级无人艇平台上搭建了避碰系统,部署了上述的路径规划和局部避碰算法,并进行了湖上测试。测试结果表明,该避碰算法既能使无人艇及时复航,避碰符合运动操纵和实时性要求。在无人艇10节航速下,复航时间控制在10秒内,避让距离在6-9倍艇长范围内,避让幅度在22度内,避碰响应时间为2-4秒。