【摘要】：人工智能的發(fā)展與海洋資源的開發(fā)使得水面無人艇(USV)越來越多地承擔(dān)起各種水上任務(wù)。而作為無人艇自主性的重要一部分,路徑規(guī)劃是完成各項(xiàng)水上任務(wù)的前提。但是由于無人艇可控程度較低、自由度較高,所以當(dāng)其作為研究對象時(shí),應(yīng)從質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榍夫?qū)動(dòng)剛體來進(jìn)行研究。相應(yīng)地,其路徑規(guī)劃問題也應(yīng)從路線規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)規(guī)劃。與前者不同的是,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃不僅考慮了規(guī)劃空間的約束,同時(shí)還對規(guī)劃行為進(jìn)行了詳盡地討論。而規(guī)劃行為與研究對象的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)約束有關(guān)。因此為了充分考慮無人艇的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)約束,本文提出了基于“軌跡單元”的無人艇運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該方法的關(guān)鍵是建立無人艇軌跡單元模型,而該模型能有效地解決運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的兩大關(guān)鍵問題:(1)無人艇動(dòng)力學(xué)約束的表達(dá);(2)動(dòng)力學(xué)約束與空間搜索的結(jié)合。模型首先利用無人艇的運(yùn)動(dòng)軌跡來解決問題(1)。無人艇的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅能夠完整地表達(dá)其動(dòng)力學(xué)約束,而且各約束間的聯(lián)系也被包含在軌跡曲線中。接著考慮到空間搜索是空間離散化的過程,模型根據(jù)無人艇的軌跡特點(diǎn)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的搜索需求,提出了四條軌跡離散化規(guī)則。該規(guī)則不僅將連續(xù)的軌跡離散為軌跡段,使每一步子空間搜索都包含了無人艇動(dòng)力學(xué)約束;并且還使得這些軌跡段被拼接后仍然保持最終軌跡的連續(xù)性,從而解決了問題(2)。因此,無人艇軌跡單元模型是經(jīng)過散化規(guī)則處理后的無人艇運(yùn)動(dòng)軌跡段集合。本文利用該模型提出了基于軌跡單元的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。該方法首先對軌跡單元進(jìn)行了抽象化處理,提取出軌跡段所能到達(dá)的路徑點(diǎn)和對應(yīng)的船艏向。然后利用啟發(fā)式搜索算法,建立了無人艇的距離和轉(zhuǎn)舵代價(jià)函數(shù)。同時(shí)還針對障礙物空間下內(nèi)外點(diǎn)搜索的先后順序、啟發(fā)式代價(jià)的判斷標(biāo)準(zhǔn)以及無人艇船身尺度約束,進(jìn)行了詳細(xì)討論與分析,完善了該方法在不同規(guī)劃場景下的魯棒性。最后本文通過三類實(shí)驗(yàn)對提出的規(guī)劃算法進(jìn)行了驗(yàn)證。其中對比實(shí)驗(yàn)是路線規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃結(jié)果的對比,證明了該方法的正確(合理)性;仿真實(shí)驗(yàn)是真實(shí)水域下的模擬實(shí)驗(yàn),證明了該方法能夠針對不同的場景規(guī)劃出較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)路徑;實(shí)船實(shí)驗(yàn)是具體水域下的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),證明了該方法的實(shí)用性。
【圖文】：

的過程中耗費(fèi)了大量的時(shí)間，很難在工程上得到實(shí)際應(yīng)用，，于是很多學(xué)者對其進(jìn)行了改進(jìn)。如在節(jié)點(diǎn)搜索過程中利用分層和優(yōu)先級思想，尋求在遍歷范圍和方向上趨向目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)[23-26]；還有些文獻(xiàn)結(jié)合地理信息技術(shù)，利用現(xiàn)有成熟的城市路網(wǎng)地圖控件模塊對該算法進(jìn)行改進(jìn)，提高搜索效率[27-29]。另一種提高Dijkstra 算法效率的經(jīng)典策略是哈特（Hart）[30]提出的 A*算法（如圖 1-2 所示），該算法也是在路線規(guī)劃研究中應(yīng)用的較為普及的算法。它是在迪杰斯特拉算法的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)啟發(fā)式函數(shù)來估計(jì)當(dāng)前點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑代價(jià)，該函數(shù)能夠使搜索方向逐步導(dǎo)向目標(biāo)點(diǎn)，從而減少搜索時(shí)間。A*算法的應(yīng)用涉及到很多領(lǐng)域，從游戲設(shè)計(jì)中的地圖搜索[31-33]，到移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃[34-37]，再到無人機(jī)的航路規(guī)劃[38-39]都是基于 A*算法的思想來展開研究。

的過程中耗費(fèi)了大量的時(shí)間，很難在工程上得到實(shí)際應(yīng)用，于是很多學(xué)者對其進(jìn)行了改進(jìn)。如在節(jié)點(diǎn)搜索過程中利用分層和優(yōu)先級思想，尋求在遍歷范圍和方向上趨向目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)[23-26]；還有些文獻(xiàn)結(jié)合地理信息技術(shù)，利用現(xiàn)有成熟的城市路網(wǎng)地圖控件模塊對該算法進(jìn)行改進(jìn)，提高搜索效率[27-29]。另一種提高Dijkstra 算法效率的經(jīng)典策略是哈特（Hart）[30]提出的 A*算法（如圖 1-2 所示），該算法也是在路線規(guī)劃研究中應(yīng)用的較為普及的算法。它是在迪杰斯特拉算法的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)啟發(fā)式函數(shù)來估計(jì)當(dāng)前點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑代價(jià)，該函數(shù)能夠使搜索方向逐步導(dǎo)向目標(biāo)點(diǎn)，從而減少搜索時(shí)間。A*算法的應(yīng)用涉及到很多領(lǐng)域，從游戲設(shè)計(jì)中的地圖搜索[31-33]，到移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃[34-37]，再到無人機(jī)的航路規(guī)劃[38-39]都是基于 A*算法的思想來展開研究。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U664.82

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本文編號：2707544