【摘要】：水環(huán)境監(jiān)測(cè)早已成為全球的焦點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái),對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)與保護(hù)被各國(guó)提上日程,探索水資源需要更多的人力物力,水面無(wú)人艇的研究得到了世界的重視,已經(jīng)在偵查行動(dòng)、海洋巡邏、監(jiān)視和搜索任務(wù)等領(lǐng)域都得到了運(yùn)用。目前海洋環(huán)境及各地水庫(kù)已經(jīng)被嚴(yán)重污染,監(jiān)測(cè)和采集水樣是重中之重,但固定式裝置只能檢測(cè)一定范圍內(nèi)的水質(zhì)參數(shù),使用時(shí)需要考慮適用范圍、安裝裝置等因素。便攜式裝置需要人員攜帶,有時(shí)甚至要進(jìn)到危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集,存在安全隱患。水面無(wú)人艇具有可操作性強(qiáng)、方向控制靈活、人力消耗低、安全性高等優(yōu)勢(shì),但水面上時(shí)常出現(xiàn)各種障礙物阻礙無(wú)人艇的航行,因此,迫切需要無(wú)人艇在行駛時(shí)能夠智能避障從而完成任務(wù)并安全到達(dá)終點(diǎn)。本文研究了一種基于改進(jìn)遺傳算法與改進(jìn)人工魚(yú)群算法相結(jié)合的混合算法,該算法能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人艇在復(fù)雜的、多靜態(tài)障礙物的水面環(huán)境下的安全航行。論文的主要工作包括以下內(nèi)容:首先,對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn),采用精英選擇策略的遺傳算法,大幅度提高運(yùn)算速度,防止丟掉找到的最優(yōu)解。針對(duì)算法中各算子的作用,加入保護(hù)算子和淘汰算子,設(shè)一個(gè)小概率,使最優(yōu)解保留且數(shù)量逐代增多,劣質(zhì)解被逐代淘汰,保證種群的多樣性。其次,針對(duì)人工魚(yú)群算法中視野和步長(zhǎng)兩個(gè)固定參數(shù)使得算法精度不高的缺陷,采用指數(shù)函數(shù)使視野和步長(zhǎng)隨著算法的迭代自適應(yīng)變化,提高算法的精度,防止局部收斂。將改進(jìn)遺傳算法與自適應(yīng)人工魚(yú)群算法進(jìn)行結(jié)合,在人工魚(yú)群完成覓食、聚群、追尾行為后,插入遺傳算法,進(jìn)行保護(hù)、淘汰等操作,逐代更新公告板上的最優(yōu)解,在提高運(yùn)算精度的基礎(chǔ)上保留最優(yōu)路徑。再次,將改進(jìn)后的混合算法與人工勢(shì)場(chǎng)法、蟻群算法、粒子群算法進(jìn)行比較,分別在MATLAB環(huán)境下得到不同的路徑,對(duì)比證明混合算法在無(wú)人艇避障時(shí)可以躲避障礙物,且路徑最優(yōu),驗(yàn)證了算法的實(shí)用性。最后,對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容做出了總結(jié),指出了工作的不足,并對(duì)未來(lái)的研究做出了展望。
【圖文】：

外研究現(xiàn)狀二戰(zhàn)時(shí)期，就涌現(xiàn)出了很多無(wú)人艇[11]。美國(guó)是無(wú)人艇研究的先驅(qū)國(guó)家，，美入巨資用于水面無(wú)人艇的研究，研制出了多種型號(hào)[12]。法國(guó)、新加坡也逐人艇的發(fā)展[13]。而對(duì)于無(wú)人艇的避障控制，則在二十世紀(jì)五六十年代便開(kāi)只提出了關(guān)于避障技術(shù)的概念，只是通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行模擬行駛，并沒(méi)到了二十世紀(jì)七十年代初，人們進(jìn)一步提出了更高要求的避障技術(shù)。直到能避障技術(shù)才被人們發(fā)現(xiàn)[14-17]。在無(wú)人艇避障研究方面，英國(guó)的施普r)無(wú)人艇可以用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的局部路徑規(guī)劃，其思想是遺傳算法非線性預(yù)thwind Marine 公司制造的“seafox”號(hào)無(wú)人艇，其規(guī)劃路徑，高效運(yùn)用了aniel H.Wagner Associates 公司提供了一個(gè)可以自動(dòng)生成環(huán)境地圖的無(wú)人艇大提高了無(wú)人艇運(yùn)行的安全性，使無(wú)人艇航行時(shí)能保留足夠大的安全范圍英國(guó)施普林格無(wú)人艇，圖 1.2 是美國(guó)的 UOV 無(wú)人艇，圖 1.3 是以色列的黃y）無(wú)人艇。

圖 1.2 美國(guó) UOV 無(wú)人艇 圖 1.3 以色列黃貂魚(yú)無(wú)人艇國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀雖然避障技術(shù)存在很多問(wèn)題，尚不成熟。但進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，我國(guó)在究方面取得了很大的進(jìn)展。2008 年，我國(guó)研發(fā)第一艘民用無(wú)人艇—“天象一艇由大連海事大學(xué)和沈陽(yáng)新光航天集團(tuán)一起研制而成，除“天象”外還有“閃，“天象 1 號(hào)”總長(zhǎng)為 6.5 米，使用碳纖維材料制成，技術(shù)先進(jìn)，是中國(guó)無(wú)一個(gè)重要里程碑。除了傳統(tǒng)的人為遙控操作，“天象一號(hào)”還可以采用自動(dòng)當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，可以及時(shí)收取障礙物的有用信息，對(duì)障礙物及航線進(jìn)行處而做出正確的判斷，改進(jìn)原先設(shè)定的航線，安全高效地做出避讓方案。“天人艇已經(jīng)在 2008 年奧運(yùn)會(huì)的青島奧帆賽前成功試行，提供了風(fēng)速、水溫等數(shù)的圓滿(mǎn)舉行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[21-23]。“天象一號(hào)”外觀如圖 1.4。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：U664.82;TP18

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本文編號(hào)：2693735