水面无人艇避碰方法回顾与展望

  目的  提出一种实现无人水面艇（USV）在高速航行时自动规避障碍物的方法。  方法  将双向搜索树（Bi-RRT）算法与速度障碍法相结合,得到基于改进Bi-RRT的无人水面艇自动避碰算法。针对Bi-RRT算法扩展操作中父节点延伸方向位于锥形碰撞区内的情况,提出避碰危险度系数与障碍物排斥向量,使父节点延伸方向有远离障碍物中心的趋势。同时,针对算法实时性问题,提出两棵搜索树并行延伸扩展的方式,以及当父节点延伸方向位于锥形碰撞区外时触发的目标吸引向量,以加速算法收敛。  结果  结果显示,采用上述改进方法设计的算法搜索树延伸失败次数降低,规划的避碰路径短且更加平滑。  结论  该改进Bi-RRT算法实时性强、路径规划质量高,对实际工程应用有重要意义。     

基于改进RRT算法的无人艇编队路径规划技术

[目的]为了解决无人艇编队在智能航行时全局路径规划与局部自主避碰问题,提出基于改进快速搜索随机树(RRT)算法的无人艇编队路径规划技术。[方法]针对无人艇编队形状稳定问题,在RRT算法扩展环节提出一种非严格保形修正向量与非严格保形控制圆区域,使搜索树有朝着严格保形坐标点生长的趋势;针对突发障碍物与非严格保形规划点碰撞问题,在RRT算法碰撞检测环节提出可调节避碰圆区域与障碍物修正向量,使无人艇安全避碰并最大程度地保持队形稳定。[结果]结果显示,无人艇编队在该算法作用下表现出了良好的保形性能,并能对突发障碍物进行有效的避碰。[结论]该算法效能高、稳定性强、路径规划质量高,在实际工程应用中具有重要的意义。     

区域目标搜索中基于改进RRT的UAV实时航迹规划

  目的  为了解决无人艇编队在智能航行时全局路径规划与局部自主避碰问题,提出基于改进快速搜索随机树(RRT)算法的无人艇编队路径规划技术。  方法  针对无人艇编队形状稳定问题,在RRT算法扩展环节提出一种非严格保形修正向量与非严格保形控制圆区域,使搜索树有朝着严格保形坐标点生长的趋势;针对突发障碍物与非严格保形规划点碰撞问题,在RRT算法碰撞检测环节提出可调节避碰圆区域与障碍物修正向量,使无人艇安全避碰并最大程度地保持队形稳定。  结果  结果显示,无人艇编队在该算法作用下表现出了良好的保形性能,并能对突发障碍物进行有效的避碰。  结论  该算法效能高、稳定性强、路径规划质量高,在实际工程应用中具有重要的意义。     

基于改进RRT~*算法的无人艇全局避障规划

在水面无人艇全局避障规划领域,RRT~*算法及其改进方法规划的路径长度过长、转折过多,并且规划路径紧靠障碍物,不利于水面无人艇的安全行驶。针对此问题,本文提出一种新的基于线段定理和RRT~*算法(Line segment theorem-RRT~*)的LT-RRT~*算法。该算法对环境地图进行预处理,标示出障碍物周围危险区域,为无人艇与障碍物之间留出安全距离。再根据终点采样概率选取采样点,改善RRT~*算法由于全局采样引起的路径不稳定性。最后根据线段定理重新选取新节点和附近节点的父节点,跳过中间节点连接树节点,减少路径折点,最终生成相对平滑的避障路径。在相同环境下,将改进算法与现有算法避障规划效果进行比较分析,结果表明了LTRRT~*算法的有效性。     

水面无人艇动态避碰策略研究

针对水面无人艇局部路径规划的局限性,本文提出基于水面无人艇操纵运动模型的动态智能避碰,根据海事规则将局面划分为对遇、交叉相遇以及追越3种局面,在MMG模型基础上,通过避碰模型改变USV的航速和航向,完成USV对动态障碍物的智能避碰.通过实验仿真表明,该方法有效地完成USV对动态障碍物的危险避碰,符合USV实际航行避碰操纵要求.     

水面无人艇动态避碰策略研究

针对水面无人艇局部路径规划的局限性,本文提出基于水面无人艇操纵运动模型的动态智能避碰,根据海事规则将局面划分为对遇、交叉相遇以及追越3种局面,在MMG模型基础上,通过避碰模型改变USV的航速和航向,完成USV对动态障碍物的智能避碰。通过实验仿真表明,该方法有效地完成USV对动态障碍物的危险避碰,符合USV实际航行避碰操纵要求。     

一种用于群无人艇避碰的动态分组策略

为提高水面无人艇(Umanned Surface Vehicle, USV)的避碰能力,实现群水面无人艇之间的自主避碰,针对遵守国际海上避碰规则的无人艇提出一种动态分组策略的避碰方法。在群无人艇避碰的动态分组策略中,考虑无人艇的操纵特性,分析其几何位置关系,对遵守国际海上避碰规则的运动目标进行行为预测,利用交通流的特性,实现周边多个避碰目标的动态分组,同时使用凸包扫描算法扫描障碍物边界,进而达到简化避碰态势的目的。开展多种场景下的案例仿真和对比试验,结果验证上述动态分组策略在群无人艇避碰问题中的有效性,同时为设计、实现复杂环境下的群无人艇自主避碰系统提供有益的借鉴。     

中大型无人水面舰艇及编队协同发展分析

  目的  为解决无人艇（USV）在开阔水域的多目标避碰问题,以中型无人艇为对象,开展基于国际海上避碰规则（COLREGS）的局部路径规划算法研究及应用探索。  方法  在快速扩展随机树（RRT）算法的基础上,提出虚拟障碍线方法加载COLREGS海事规则约束, 以满足开阔水域避碰路径规划的应用需求。针对RRT算法不考虑速度维度的问题,引入速度障碍算法（VO）,提出VO-RRT融合算法并给出最危险障碍物策略,以此解决多目标条件下的实时避碰问题。  结果  仿真及实船试验的结果表明,所提算法实时性较好,路径重规划耗时均在50 ms以内,且规划出的避碰路径符合COLREGS海事规则中的第6,8及13～18条相关避让要求,可有效应对开阔水域下的多目标避碰问题。  结论  所提方法的规则遵守性、实时性及安全性较好,具有较高的实用价值。     

基于动态窗口法的无人艇局部路径规划

本文设计了一种基于动态窗口法的无人艇局部路径规划方法。首先建立无人艇运动学模型,结合艇体机动性能给出无人艇运动方程。然后根据无人艇在短时间间隔内能达到的速度设置搜索空间,进而组成动态窗口。在动态窗口中确定速度产生的安全轨迹,设置动态窗口法轨迹评价函数选出下一时刻无人艇航行的最优轨迹,并在Matlab中进行仿真验证。结果显示,本文所设计基于动态窗口法的无人艇局部路径方法可以有效结合水面无人艇运动学参数,并充分考虑避碰规则以及障碍物因子,在其趋向目标点的同时也有效躲避障碍物,提高水面无人艇的自主避障能力。     

基于电子海图栅格化的无人水面艇全局路径规划

为解决无人水面艇自主避碰决策中的全局路径规划问题,提出一种基于电子海图栅格化建立环境模型的遗传算法全局路径快速搜索方法。通过对电子海图数据中的海洋环境信息进行提取,采用栅格法建立路径搜索空间的环境模型,并使用栅格标号对路径个体进行编码,利用一种随机快速搜索产生初始种群的改进遗传算法进行路径搜索,提高无人水面艇全局路径规划的收敛速度和优化效率。试验结果表明,采用改进遗传算法进行基于电子海图栅格化的无人艇全局路径规划具有一定的合理性和有效性。     

基于改进蚁群算法的水面无人艇智能避碰方法研究

针对水面无人艇路径规划中算法搜索能力的不足以及蚁群算法的早熟和停滞现象的问题,本文提出了改进的蚁群算法。具体是：在基本蚁群的基础上,通过增加方向角权值这一参数,来改变选择概率,从而实现智能避碰和优化全局路径。二维路径的matlab仿真实验表明,改进的蚁群算法具有更好的路径规划和适应度值变化。     

高速无人艇动目标避碰规划方法研究

提出基于蚁群算法(ACA)实现高速无人艇对运动目标避碰规划的方法,该方法把避碰、路径最短和航迹跟踪等约束条件映射为目标函数,使得路径搜索过程快速高效.计算机仿真表明:该方法使高速无人艇能够较好的实现对运动目标的避碰;由此说明此项研究具有一定的可行性和有效性.     

多约束条件下基于稀疏迭代势场法的无人艇局部避碰方法

针对传统人工势场法容易陷入局部最小值点的问题以及采用栅格法离散化环境建模后,无法规划任意角度路径的缺陷,提出一种基于稀疏点约束的改进迭代势场算法。首先建立了安全距离模型和一种更加简单的势函数(与起点、终点的距离函数),然后利用二分搜索的思想和稀疏约束方法找到稀疏点,从而在栅格地图中规划出一条任意角度的最短安全路径。之后针对无人艇高速航行时对动态障碍物避碰这一问题,尤其是航行过程中需要满足国际海上避碰规则公约这一难点。在无人艇避碰的同时考虑海事规则以及运动学约束,让无人艇能够实时规划出一条最优路径。仿真分析和实船试验均验证了本文所提方法的有效性,且表明稀疏迭代势场法的运行效率比传统迭代势场算法提高14倍。     

基于海事规则的水面无人艇动态障碍规避方法

针对水面无人艇对探测到的电子海图上没有标示的动态障碍物的规避问题,提出符合国际海上避碰规则公约的规避方法,将动态障碍物某一运动时刻转换为相对无人艇瞬时静止的状态,对避障模型进行实时计算;并通过粒子群优化算法解算出无人艇进行避障所需的最优航速和航向改变量。仿真实验表明,该方法可得到合理的规避策略,有效地完成动态障碍物的规避任务。     

搜索算法在无人艇航迹规划中的应用

[目的]为了更加有效地利用无人艇(USV)执行复杂的海洋作业,需要可靠的航迹规划算法.针对现有路径规划算法研究,提出一种基于2D扫描思想的搜索扫描算法.[方法]首先,建立环境空间模型,在起点与终点之间存在障碍物的前提下,通过起点360°扫描获取周围障碍物信息,并确定子节点.然后,通过确定代价函数获取子节点,不断扫描最优...     

Multiple USV cooperative algorithm method for hunting intelligent escaped targets北大核心CSCD

[目的]针对无人艇协同围捕过程中逃跑目标具备智能性,现有无人艇策略难以围捕成功的问题,提出一种基于双层切换策略的多无人艇协同围捕算法。[方法]第1层围捕策略采用改进势点法,以无人艇与势点的总直线距离最小为优化目标,采用匈牙利算法为无人艇动态分配势点,并采用人工势场法实现无人艇的协同避碰;第2层围捕策略利用了阿波罗尼奥斯圆的性质,在两艘无人艇前往逃跑目标的目标点进行拦截,剩余无人艇运动方向保持与逃跑目标相同,以不断缩紧包围区域;为应对逃跑目标不同的逃跑方式,第1层围捕策略和第2层围捕策略可互相转化。[结果]仿真实验表明,该算法相较于顺序分配势点算法和极角分配势点算法,围捕时间更少或持平,证明了该算法的有效性和先进性。[结论]该多无人艇协同双层围捕算法,对具备典型智能性的逃跑目标具有围捕效果。     

基于CSSOA的多船智能避碰决策研究

[目的]智能避碰决策作为船舶安全航行的关键技术之一,对智能船舶的发展具有重要意义。针对多船会遇下的智能避碰决策问题,提出一种基于高斯变异和Tent混沌的改进麻雀搜索优化算法（CSSOA）。[方法]算法采用Tent混沌映射初始化麻雀原始种群,提高其多样性,并对适应能力差和搜索停滞的麻雀个体进行混沌映射,利用高斯变异提升局部搜索能力和鲁棒性,改进方案优化启发式算法收敛速度慢和易陷入局部最优的问题。综合考虑船舶间船速比、最小会遇距离、相对距离、最小会遇时间、相对方位等因素,利用模糊隶属度函数建立船舶碰撞风险模型,并通过多船典型会遇场景进行实例验证。[结果]实验结果显示,改进算法的平均迭代次数较粒子群算法和原麻雀算法分别减少了77.97%和53.57%。[结论]改进后的麻雀优化算法能以更优的收敛速度寻到安全经济的避碰路径,为船舶驾驶员提供避碰决策参考。     

基于集合制导和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法研究

针对无人船在未知海洋环境下的避碰问题,提出了一种基于集合制导和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法。为了使无人船能够在沿预先规划路径航行的同时规避障碍物,采用了一种基于集合制导算法的无人船航行模式切换策略。当满足一定条件时,该策略能够使无人船在路径跟随模式和避碰模式之间进行切换,以实现航迹跟踪控制与避碰路径规划相结合;同时考虑到船舶自身的操纵性能,设计了一种基于动态窗口约束的反应式避碰方法。仿真试验表明,在满足国际海上避碰规则的前提下,该方法能够使无人船在沿预设路径航行的同时,有效地规避障碍物。     

水面无人艇自主导航与控制系统的设计与实现

水面无人艇具有体积小、速度快、运动灵活等特点,能用于执行军、民用领域的各种水上任务,如水质探测、海上搜救、军事侦察与反潜等。导航与控制系统是水面无人艇实现智能化航行的基础和关键技术。论文设计了一种小型无人艇自主导航与控制系统。该系统具备远程遥控和自主航行两种控制模式,能够实现目标点巡航和自主避碰规划。全局路径规划采用基于栅格地图的权值FMM方法,局部避碰采用基于VO模型的方法,航迹跟踪和运动控制部分采用了LOS视线法和PID控制算法。开发了无人艇导航与控制系统试验平台,在开阔水域下进行了航迹跟踪、自主避碰等试验,验证了系统的可靠性和有效性。     

基于混沌蜂群算法的USV路径规划

针对多障碍物环境下,传统智能算法容易过早收敛、搜索精准度差等问题,为提高路径规划准确性,获得最佳路径,避免碰撞发生,提出一种基于人工蜂群算法的水上无人艇路径规划方法。通过栅格法建模,以无人艇目的地为蜜源,在蜂群信息交换阶段,采用混沌序列产生初始化雇佣蜂,跳出局部最优。与传统人工蜂群算法进行对比,仿真结果表明,混沌蜂群算法在路径优化方面更能找到全局最优路径。