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。     

利用人工势场法实现无人艇二维路径规划

无人艇作为海洋勘探及开发的重要工具,路径规划的效率及安全性是保障无人艇执行任务的关键。在路径规划中,如何实时避开移动及静态障碍物是路径规划重点关注的问题。无人艇路径规划由于计算能力的限制,势场变换采用二元函数,且在实际规划中函数系统为常量,算法复杂度较低,但最终结果往往会陷入局部最优解。本文改进传统的人工势场路径规划算法,引入指数级势场变化函数,降低势场的变换幅度,提高路径规划的准确性。     

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。     

基于模糊改进人工势场法的无人船路径规划研究

自主、高效巡航是对无人船提出的基本要求,为满足这一要求,需要为无人船配备路径规划系统.通过该系统,能够在无人船遇到障碍物时重新规划路径,使无人船避开障碍物,顺利到达目的地,完成任务.人工势场法是路径规划常用的一种方法,实际应用中发现该方法存在不足,为满足无人船路径规划需要,对人工势场法进行模糊改进.     

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。     

基于量子粒子群优化算法的无人艇航线规划

针对目前无人艇主流航线规划算法存在效率低、收敛速度慢或易陷入局部最优等问题,文章将具有较强全局搜索能力的量子粒子群优化(QPSO)算法用于求解无人艇最优航线规划并结合人工势场思想进行针对性改进应用,仿真实验结果表明,该方法寻优能力强、收敛速度快、稳定性好,可较好地适用于不同环境下无人艇航线规划。     

基于改进人工势场法的欠驱动无人艇避障

针对欠驱动无人艇水面避障任务中使用人工势场法避障时存在期望避障航向角变化过大，引起无人艇避障轨迹摆动大的问题，提出引入自衰减斥力场的改进人工势场方法，解决期望航向角突变和抖动的问题。改进方法通过叠加环绕斥力克服了局部极小点问题，利用自衰减斥力的特性，使无人艇避障斥力变化平缓，避免了无人艇靠近障碍物后期望避障航向角急剧变化，优化了避障轨迹。进行多组湖面试验，测试该方法的效果，并对比传统方法与改进方法在相同避障场景下的避障轨迹。结果表明，改进方法的避障轨迹更加平滑，期望避障航向角变化平缓。     

基于电子海图的无人艇集群区域覆盖路径规划

[目的]针对无人艇（ASV）集群区域覆盖问题,设计一种基于电子海图信息系统（ECDIS）的多无人艇区域覆盖路径规划方法。[方法]首先,通过提取ECDIS中的海陆和水深信息,建立基于栅格化方法的无人艇集群覆盖区域环境模型。其次,提出一种基于轮盘选择法的区域划分方法,解决基于初始位置的区域划分方法区域划分不规则的问题,实现在栅格地图中对无人艇集群覆盖子区域的合理划分。最后,构建一种基于模板法的区域覆盖路径规划方法,解决生成树覆盖方法路径转弯数量较多的问题。[结果]搭建基于ECDIS的无人艇集群人机交互仿真平台,验证所提基于轮盘法和模板法的区域覆盖路径规划方法对优化规划路径转弯数量的有效性。[结论]采用所提基ECDIS的无人艇集群区域覆盖路径规划方法,实现多无人艇对海上目标任务区域的覆盖路径规划。     

多无人艇协同区域警戒算法研究

水面无人艇因其成本低、速度快、体积小、运动灵活等优势,在军用和民用领域应用日益广泛,如何提高多无人艇在大范围水域协同警戒执行效率已成为该领域的研究重点。本文提出基于人工势场的多无人艇分布式算法,为多无人艇大区域巡逻警戒与跟踪监视问题提出解决方案,降低了无人艇受损后对任务执行产生的不利影响,也为多无人艇大范围水域灵活部署以及任务执行效率提高等应用提供参考。     

无人艇海上搜救路径规划技术综述

针对无人艇海上搜救路径规划问题，从海上搜救区域的最优确定和海上搜寻方案的最优规划2个层面概括确定海上搜寻区域的方法，并分析其技术内涵与应用情况；介绍包括传统方法和区域覆盖算法等的各类搜寻方法，并深入分析其特点与不足；对无人艇海上搜救路径规划存在的问题及应对措施进行分析和展望。研究成果可为无人艇海上搜救路径规划技术的进一步探讨提供借鉴。     

Analysis of characteristics of foreign unmanned surface vehicle swarm combat application and proposed countermeasures北大核心CSCD

无人船(USV)集群作为未来海上军事运用的重要组成力量,是各国海上无人装备的重要发展方向。首先,通过梳理总结当前国外无人船集群发展战略规划与运用现状,对无人船集群作战关键技术进行归纳分析,从集群自组网通信、战场态势感知、集群协同任务分配等3个方面剖析无人船集群相关技术的研究进展;然后,对无人船集群在军事上运用的典型样式和主要效益进行分析及研判;最后,总结分析当前应对无人船集群的难点,并对无人船集群应对的技术发展予以展望。     

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。     

网络环境下无人水面艇航向控制器设计

无人水面艇自主航行中受到外部环境干扰及在控制中心-执行器网络通道中存在网络诱导特性(如网络诱导时延、数据丢包等)的影响,会降低系统性能,影响航向控制系统的稳定性.为了能使无人艇按照设定航向快速、稳定地航行,提出一种基于网络的无人艇航向控制策略.首先,建立基于网络的无人艇航向控制系统模型.基于这个模型,运用Lyapunov稳定性理论和凸分析方法导出能使网络环境下无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制律,并设计基于网络的航向控制器.通过仿真验证所提出方法和设计控制器的有效性.     

复合动力超长续航无人艇系统的设计与实现

为实现无人艇在海上追踪、搜救、巡逻、反潜等任务中的超长续航,避免因油料限制而被迫任务中断,设计了一套以风能、太阳能为动力的无人艇系统,利用风帆为无人艇推进,太阳能为船上电控设备提供电能。该系统由无人艇和岸基监控平台组成,无人艇可通过python开发的数据采集模块和算法模块实时采集环境数据、计算、生成并下达控制指令,在风区内可超长续航自主航行,实现全风向利用;岸基监控平台可实时监控无人艇状态,并进行自主/遥控模式切换。对系统进行了测试,通讯连接试验的可靠性高;无人艇航行试验验证了全风向自主航行的可行性,运行轨迹与仿真结果基本重合;太阳能供电分析理论上验证了风区超长续航的可实现性。     

基于深度学习的水面无人船前方船只图像识别方法

建立基于图像识别系统的水面无人船感知平台,采集内河船舶图片数据库建立船只检测单层多尺度深度学习（Single Shot Multibox Detector,SSD）框架,通过使用预训练模型参数调优并微调分类框架实现较高的内河船舶检测准确度。试验结果表明,不同天气状况下的识别算法的查全率和查准率均能保持在70%以上     

海上无人系统集群发展现状及关键技术研究进展

海上无人系统集群作战正在从概念走向实装应用.着眼于海上无人系统集群作战任务的需要,总结无人机集群、水面无人艇集群、无人水下机器人集群和跨域无人系统集群的国内外发展现状,分析海上无人系统集群协同作战所需的关键技术,包括通信自组网、协同态势感知、任务分配、航迹规划、集群编队控制和虚拟测试等.系统性归纳海上无人系统集群所需各...     

内河无人船局部路径规划和循迹控制

提出了内河无人船在水流中的局部路径规划算法,并在直线Line of Sight算法基础上设计了一般曲线路径的LOS循迹控制算法。将此算法结合完成了内河无人船的航行试验,实现了在落潮、涨潮等不同水流条件下的无人自主航行,验证了所提算法的有效性和实用性,对内河无人船的应用研究具有借鉴意义。     

Application of A* algorithm for real-time path re-planning of an unmanned surface vehicle avoiding underwater obstacles

This paper describes path re-planning techniques andunderwater obstacle avoidance for unmanned surface vehicle （USV）based on multi-beam forward looking sonar （FLS）. Near-optimalpaths in static and dynamic environments with underwaterobstacles are computed using a numerical solution procedure basedon an A algorithm. The USV is modeled with a circular shape in 2degrees of freedom （surge and yaw）. In this paper, two-dimensional（2-D） underwater obstacle avoidance and the robust real-time pathre-planning technique for actual USV using multi-beam FLS aredeveloped. Our real-time path re-planning algorithm has beentested to regenerate the optimal path for several updated frames inthe field of view of the sonar with a proper update frequency of theFLS. The performance of the proposed method was verifiedthrough simulations, and sea experiments. For simulations, theUSV model can avoid both a single stationary obstacle, multiplestationary obstacles and moving obstacles with the near-optimaltrajectory that are performed both in the vehicle and the worldreference frame. For sea experiments, the proposed method for anunderwater obstacle avoidance system is implemented with a USVtest platform. The actual USV is automatically controlled andsucceeded in its real-time avoidance against the stationary underseaobstacle in the field of view of the FLS together with the GlobalPositioning System （GPS） of the USV.     

无人艇智能航路规划系统研究

近年来,随着人工智能等高新技术的发展,无人平台的发展日新月异,以无人水面艇为代表的无人平台受到国内外专家学者越来越多的关注。其中航路规划系统是实现无人艇正常航行和体现无人艇智能化的关键技术之一。目前大多数航路规划算法适用的场景主要为无人艇的自由航行,避碰能力单一,且未充分考虑无人艇自身欠驱动型以及机动能力的限制,很难满足复杂障碍环境下智能避碰的需求。本文设计基于分层规划的航路规划方案,提出多单元模块下的无人艇航路规划策略,并基于无人艇自身特性设计对应的轨迹规划单元。最后在GIS数据上,对所设计的智能航路规划系统进行仿真验证,实验结果验证系统的有效性和实用性。