復(fù)雜海況下水面無人艇分層危險規(guī)避方法研究.pdf

1、無人水面艇（Unmanned Surface Vehicles，USVs）是一種重要的海洋機器人，目前正被廣泛研究并逐漸應(yīng)用于實際。然而 USV的自主航行問題仍嚴(yán)重制約其自主性能的提高，尤其是在復(fù)雜海況下的危險規(guī)避問題亟待解決。本文針對USV在復(fù)雜海況下的自主安全航行問題，從四個方面展開研究：全程航跡規(guī)劃、遠(yuǎn)程危險規(guī)避、近程危險規(guī)避、近程危險規(guī)避自適應(yīng)機制研究，具體的研究工作如下：
　　1）在USV全程航跡規(guī)劃問題研究過程中，以電

2、子海圖為基礎(chǔ)構(gòu)建基于柵格的環(huán)境模型。對USV全程航跡規(guī)劃問題進(jìn)行分析，構(gòu)建了USV全程航跡規(guī)劃的多目標(biāo)約束優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。針對USV全程航跡規(guī)劃的約束條件處理問題，采用距離函數(shù)和雙懲罰函數(shù)對約束條件進(jìn)行處理。通過引入pareto強度和最小代溝模型，為USV設(shè)計出了一種基于多目標(biāo)遺傳算法的全程航跡規(guī)劃算法。并在實驗環(huán)境中對全程航跡規(guī)劃算法的性能進(jìn)行了驗證。
　　2）根據(jù)USV在復(fù)雜海洋環(huán)境中的危險規(guī)避特性，在傳統(tǒng)的全局危險規(guī)避層和近程

3、危險規(guī)避層之間增加了遠(yuǎn)程危險規(guī)避模塊。針對USV的遠(yuǎn)程危險規(guī)避問題，定義了遠(yuǎn)程危險規(guī)避區(qū)域、沖突范圍以及規(guī)避動態(tài)障礙物目標(biāo)的海上交通規(guī)則，并提出了相應(yīng)的碰撞沖突檢測方法。將 USV海上交通規(guī)則以及碰撞約束對應(yīng)的可行航向集合作為約束條件，以稀疏A*算法為基礎(chǔ)為USV設(shè)計出一種動態(tài)局部航跡重規(guī)劃算法。通過設(shè)計多種實驗場景對算法的性能進(jìn)行了驗證，
　　3）近程危險規(guī)避模塊是 USV實現(xiàn)安全自主航行的直接引導(dǎo)模塊，當(dāng)前針對USV的近程危險

4、規(guī)避問題提出了許多算法，但是絕大部分算法都僅僅處于實驗室驗證階段，即使進(jìn)行了海試實驗也只是在低速 USV(≤5knots)上進(jìn)行了驗證。為此根據(jù)高速艇的運動特性和基礎(chǔ)運動控制特性，為高速 USV提出了一種通用的近程危險規(guī)避算法。算法根據(jù)周圍環(huán)境中障礙物的分布和USV艇體基本特性構(gòu)建航向穩(wěn)態(tài)模型和導(dǎo)航線速度模型，通過航向穩(wěn)態(tài)模型和導(dǎo)航線速度模型輸出的導(dǎo)航角度和導(dǎo)航線速度引導(dǎo) USV實現(xiàn)高速安全危險規(guī)避。最后在仿真實驗和海試實驗對算法的相關(guān)

5、性能進(jìn)行了驗證。
　　4）當(dāng)USV在復(fù)雜海況下航行時，USV會受到來源于海風(fēng)、海流等多種外界干擾因素的影響，在 USV近程危險規(guī)避算法中并沒有針對外界干擾問題進(jìn)行研究。根據(jù)海風(fēng)和海流的干擾特性，以Sarsa在線策略強化學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)，提出了USV在復(fù)雜海況下的自適應(yīng)危險規(guī)避決策模型，并以漸進(jìn)貪心策略作為行為探索策略，證明了USV自適應(yīng)危險規(guī)避決策過程能夠以概率1收斂到最優(yōu)行為策略。論證結(jié)果表明，采用在線策略強化學(xué)習(xí)算法提升 USV