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。     

基于改进Bi-RRT的无人水面艇自动避碰算法

[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。     

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。     

面向回收任务的无人艇自适应级联跟踪控制

[目的]针对当前艉滑道式回收技术中的高精度回收引导控制要求,提出一种面向艉滑道回收的无人艇（USV）自适应级联跟踪控制方法。[方法]建立欠驱动无人艇运动模型,基于艉滑道式回收技术要求,利用滤波算法实现对母船航行状态和回收位姿的预测;引入平行接近制导思想,结合滑模变结构控制理论,构建出稳定的级联控制系统,以解决无人艇回收过程中的跟踪控制问题。[结果]通过采用李雅普诺夫理论和级联定理分析系统的稳定性,证明无人艇能够稳定跟踪目标。[结论]仿真结果表明,所提控制方法可使无人艇具有稳定的跟踪性能,且对不确定性干扰表现出较强的鲁棒性。     

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...     

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。     

自主学习在无人艇路径规划上的应用

近年来,无人艇技术不断成熟,在海事监管、执行作战任务等方面有较为广泛的应用。随着控制技术和计算机技术的不断发展,无人艇已经具有了自主航行,目标探测等功能。本文主要研究无人艇的路径规划功能,合理的路径规划可以节约无人艇的能源,延长无人艇的续航时间。首先针对水面无人艇的动力学特性进行了系统的建模与分析,然后针对其动力特性设计了一种基于神经网络算法的自主学习控制系统,并对该系统的性能进行仿真测试。     

基于改进双向RRT的无人艇局部路径规划算法研究

以高速航行的无人艇迅速规划出较优的局部避障路径为目标,提出一种基于改进双向RRT的无人艇局部路径规划算法。针对传统双向RRT算法随机性过强,规划的路径往往曲折较多的问题,对每一个新延伸的节点施加转角约束。针对传统双向RRT算法两棵树经常不能平滑连接的问题,在主动连接点施加转角约束及距离约束。还提出了一种新的动态步长策略。仿真结果表明,用改进算法规划的路径质量更好,算法收敛时间更短。     

水面无人艇任务规划系统分析

水面无人艇因具有速度快、机动性高、自主性强等特点,在军事上具有十分广阔的应用前景。水面无人艇能在非结构化的、不确定性的海洋环境下完成任务,任务规划系统是其发挥效能的重要环节,一定程度上标志着无人艇的智能水平。对任务规划系统概念、发展现状、类型划分等方面进行研究,结合水面无人艇平台特点,探讨无人艇任务规划系统的研究难点与特点,并针对典型任务下的任务规划系统进行分析研究,对水面无人艇任务规划系统未来应用的发展方向进行了展望。     

一种无人艇路径跟踪控制器的设计与验证

针对无人艇的路径跟踪控制问题,基于内模控制和L1制导算法设计并实现无人艇路径跟踪控制器。通过对状态空间型船舶线性数学模型进行在线参数辨识,实现对无人艇操纵响应模型参数的在线估计;基于内模控制和无人艇操纵响应模型,设计并实现无人艇的艏摇角速度控制器;采用L1制导算法设计并实现无人艇的路径跟踪控制器。实船试验结果表明,该路径跟踪控制器能较好地实现无人艇对参考路径的跟踪。     

基于扩张状态观测器的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制

[目的]针对无人艇(USV)的模型不确定性和未知海洋环境扰动,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制算法.[方法]在运动学层级,设计基于平行接近制导原理的目标跟踪制导律;在动力学层级,针对模型不确定性和未知环境扰动,设计基于ESO的纵荡速度和艏摇角速度自抗扰控制律,以减小模型不确定性和环...     

基于改进的视线导引算法与自抗扰航向控制器的无人艇航迹控制

[目的]无人艇(USV)在复杂环境情况下会出现偏离目标航线的情况,为提高水面无人艇的抗干扰能力及实际航行的稳定性,实现对航迹的准确控制,提出一种改进的无人艇航迹控制方法.[方法]根据导航信号受环境影响的情况,对GPS信号有效和无效2种情况下的航迹控制分别进行分析,在自主可控平台上设计并实现了基于模糊控制可变船长比的视线...     

基于机器学习的船舶机舱设备状态监测方法

[目的]为实现船舶机舱设备的智能状态监测,引入机器学习算法,提出一种结合流形学习和孤立森林的船舶机舱设备状态监测方法.[方法]由于船舶机舱设备的状态监测数据是多维度数据,基于该监测系统,通过流形学习来提取有效的数据特征,实现对原始数据的降维,减少数据复杂度.基于孤立森林算法,在仅利用正常工况数据集的情况下,训练并构建多...     

Path planning method for unmanned surface vehicle with controllable distance from obstacles北大核心CSCD

[目的]为了解决水面无人艇(USV)路径规划中安全性和平滑性方面的问题,提出一种与障碍物距离可控的USV路径规划方法。[方法]首先,结合雷达图像生成栅格化环境信息,利用维诺场算法(VFA)为每个栅格添加危险势场并建立航行界限;其次,建立与航行界限关联的危险度函数对A^(*)算法的评价函数进行改进,利用改进的A^(*)算法进行路径规划;最后,针对航行路径转向角较大的问题,采用梯度下降法(GDM)进行航行路径的平滑处理,得到满足USV实际航行要求的连续平滑路径。[结果]仿真结果表明,所提路径规划方法通过设置不同的航行界限可以实现路径与障碍物之间距离的控制且平滑性符合航行要求。[结论]该方法在USV路径规划过程中具有一定的合理性和有效性,可为USV自主避障决策提供参考。     

Collision-avoidance under COLREGS for unmanned surface vehicles via deep reinforcement learning

ABSTRACT

Collision avoidance for unmanned surface vehicles (USVs) is significant for the fulfillment of autonomous navigation. Generally, classical collision-avoidance algorithms are proposed for relatively simple encounter situation, in this scenario only two USVs are stressed. Furthermore, to generate the rational manoeuvre operations, it is necessary that USVs should abide by International Regulations for Preventing Collision at Sea (COLREGS). However, COLREGS has not paid attention to rules for multi-USV collision-avoidance problem. Furthermore, those collision-avoidance rules in COLREGS have not been quantified for USVs. Following that, this paper utilizes deep reinforcement learning (DRL) algorithm to resolve collision-avoidance for USVs even in complex encounter situations. Within our DRL algorithm, related COLREGS is quantified properly and integrated into the DRL model, and then encounter situation of USVs is formulated as environmental observation value, accordingly a set of decision making is reached by decision-making neural network, and the reward function is designed for updating network parameters iteratively. Consequently, collision avoidance for USVs can be achieved eventually. By employing our DRL algorithm, collision avoidance for USVs under generous complex scenarios are resolved with the aid of corresponding intelligent decision-making operations. Simulation results verify the effectiveness of our DRL algorithm.     

某型无人艇综合健康管理系统分析

[目的]为确保无人艇(USV)航行安全,降低维修保障费用,推行高效的维修保障模式,开展无人艇综合健康管理(IVHM)系统分析.[方法]根据某型无人艇的功能结构,对若干关键设备和船体展开故障模式、影响及危害度分析(FMECA);基于运维需要,分析无人艇IVHM系统的功能需求,以设计其系统框架,并提出设计该系统所需的关键技...     

基于AEC模型的船舶燃油供给系统状态评估

[目的]针对船舶机舱智能化的发展需求,为了预判系统设备的潜在失效因素,提出一种适用于船舶系统健康状态评估的新型AEC模型.[方法]首先,将改进层次分析法(AHP)与熵权法(EWM)的优势相结合,形成组合赋权法来确定各项评估指标的综合权重;然后,采用云重心评判法(CGCEM)计算加权偏离度,并对系统健康状态进行评估.[结...     

基于伴随方法的舰船推进器优化设计

[目的]为探索高效的螺旋桨优化设计方法,基于面元法开展伴随优化方法的研究.[方法]通过桨叶表面法向速度为零条件和等压库塔条件建立伴随方程,得到敏感导数求解式.以DTMB 4381螺旋桨为对象,分别运用伴随方法和传统的求解控制方程方法计算螺旋桨性能与参数之间的敏感导数;基于伴随方法对某螺旋桨进行敏感导数分析,再根据敏感导...