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。     

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。     

海上风电场区船舶A~*避碰寻路算法

针对国内风电场距离航道较近、船舶在其附近航行时容易发生碰撞事故的问题,研究基于A~*改进算法的海上风电场水域船舶避碰寻路算法。基于改进的人工势场模型,按照船舶避碰要求建立风机威胁势场和他船威胁势场;将风电场区地图栅格化,计算各小方格处总的威胁值,构建威胁地图;以各栅格的威胁值作为船舶航行代价,利用A~*算法找出从当前点到目标点的移动航线;针对采用普通A~*算法生成的航线中拐点多、方向受限的问题,提取各拐点进行通视性检验并删除冗余点,最终得到符合船舶在风电场区航行要求的安全航线。仿真试验结果表明:采用该方法得到的规划航线能在与风机障碍物保持安全距离的同时,具有最短长度。     

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。     

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。     

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。     

动态人工势场法的无人船避障路径规划

为了保证无人船安全行驶,设计动态人工势场法的无人船避障路径规划方法。该方法的全局路径规划部分依据航行环境信息构建栅格地图后,采用A^*算法规划无人船的全局路径,并获取无人船的全局路径节点;局部避障路径规划部分将该路径节点作为局部路径的开始节点,利用动态人工势场法规划无人船避障路径。为保证路径规划效果,采用长短记忆循环神经网络和强化学习算法相结合的方式改进动态人工势场法,确保在障碍物运动速度较快时,依旧能够可靠完成无人船避障路径规划。测试结果显示：该方法可完成无人船全局最优路径规划,并有效完成局部避障路径规划,无人船和障碍物的会遇距离和会遇时间分别大于4.26 m和大于15 s,碰撞危险度极低,满足应用标准。     

基于改进人工势场法的水面无人艇路径规划研究

路径规划是海面无人艇导航系统中最重要的任务之一,在实现海面高速无人艇路径规划时,如果使用人工势场路径规划,一般均会产生最小点问题,尤其在路径规划目标点位置附近存在有障碍物的情况下。针对基于人工势场法的无人艇路径规划算法中存在的这一缺陷,提出了基于改进人工势场法来解决这个问题,通过建立新的引力和斥力势场函数来避免局部最小点问题的出现,并通过仿真最终验证了该方法的有效性。