波浪滑翔機(jī)是一種用于海洋環(huán)境觀測(cè)的無人自主航行器,其獨(dú)特的雙體機(jī)構(gòu)可以將波浪起伏轉(zhuǎn)化為航行動(dòng)力,具有超長續(xù)航、自主導(dǎo)航定位、人工智能識(shí)別等特點(diǎn)。波浪滑翔機(jī)可以根據(jù)任務(wù)需求搭載各種傳感器,進(jìn)行海洋環(huán)境的數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)海面、水下、空中的通信中繼和目標(biāo)監(jiān)測(cè)。這種新型的監(jiān)測(cè)平臺(tái),克服了傳統(tǒng)海洋觀測(cè)方式能源的限制,使長距離、長時(shí)間的海洋觀測(cè)成為可能。我國已實(shí)現(xiàn)了波浪滑翔機(jī)的自主研發(fā),掌握了通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù),其中路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的前決條件,是研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過對(duì)路徑規(guī)劃算法的研究和分析,針對(duì)波浪滑翔機(jī)的動(dòng)力特點(diǎn)和航行環(huán)境,本文提出了基于人工探路蟻的蟻群路徑規(guī)劃算法ACA-Apa（Ant Colony Algorithm based on Artifical Pathfinder Ant）。首先,引入人工探路蟻種群,通過探路蟻對(duì)可行節(jié)點(diǎn)方向的障礙物分布提前探索并將信息反饋給搜索蟻,增加了搜索蟻的視覺范圍,避免了搜索蟻陷入障礙物內(nèi)部出現(xiàn)折返或死亡現(xiàn)象,減小了算法陷入死鎖的幾率;其次,綜合考慮海洋環(huán)境對(duì)波浪滑翔機(jī)航行速度的影響,提高了航線距離和耗時(shí)的綜合效果;最后,引入變異算子,... 

【文章來源】：青島大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

波浪滑翔機(jī)示意圖

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文8LiquidRobotics公司作為波浪滑翔機(jī)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)在推廣“數(shù)字海洋”的概念。“數(shù)字海洋”將使水下傳感器、無人水下潛航器、空中無人機(jī)以及衛(wèi)星連接起來，并使他們相互共享數(shù)據(jù)和計(jì)算能力。波浪滑翔機(jī)可以穿越海面，將水下和空中平臺(tái)之間的信息進(jìn)行傳遞，還可以將信息傳遞到陸地中轉(zhuǎn)站，在整個(gè)系統(tǒng)中的起著至關(guān)重要的作用。2.2蟻群算法2.2.1蟻群算法概述蟻群算法是一種用來搜索優(yōu)化問題的自然種群仿生算法，于1992年Dorigo首次在他的博士論文中提出。1996年，Dorigo又在他的文章中系統(tǒng)的闡述了蟻群算法的基本原理和數(shù)學(xué)模型[14]，之后蟻群算法獲得了蓬勃的發(fā)展，由單一的TSP領(lǐng)域擴(kuò)展到多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，由離散問題領(lǐng)域擴(kuò)展到連續(xù)問題領(lǐng)域。蟻群算法屬于群體智能算法，是通過模擬螞蟻覓食過程設(shè)計(jì)出來的，螞蟻在覓食過程中會(huì)在走過的路徑上分泌一種稱之為信息素的物質(zhì)，并且螞蟻可以感知這種物質(zhì)的濃度，螞蟻總是朝著濃度高的方向移動(dòng)，因此整個(gè)螞蟻?zhàn)迦壕捅憩F(xiàn)出了對(duì)信息素的正反饋現(xiàn)象[15-16]。如圖2.2所示，長度越短的路徑上經(jīng)過的螞蟻越多，其遺留的信息素也就越多，后期過來的螞蟻選擇這條路徑的幾率也變得越來越大，從而構(gòu)成了正反饋的過程，逐漸逼近最優(yōu)路徑。螞蟻之間以信息素為交流媒介，從而判斷洞穴到食物的最短路徑。研究專家將螞蟻的這種行為抽象出來，形成了蟻群算法的搜索行為[17]。圖2.2蟻群算法原理示意圖

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文13第三章基于海洋環(huán)境的改進(jìn)蟻群算法3.1海洋環(huán)境建模3.1.1環(huán)境建模算法概述波浪滑翔機(jī)工作的海洋環(huán)境復(fù)雜多變，為了使規(guī)劃出來的路徑效果較好，應(yīng)選擇合適的建模方式，對(duì)波浪滑翔機(jī)航行觀測(cè)的海洋區(qū)域進(jìn)行環(huán)境建模。常用的建模方式有：可視圖法、Voronoi圖法、柵格法、自由空間法。（一）Voronoi圖法Voronoi圖,也稱Thiessen多邊形，是由連接兩鄰點(diǎn)直線的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形產(chǎn)生的連接圖[31-32]，在地理、氣象、機(jī)器人等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它的構(gòu)建方式是：首先構(gòu)造一系列連接障礙物中心點(diǎn)的直線，然后做這些直線的垂直平分線，最后調(diào)整這些邊，使其具有最少的頂點(diǎn)。如圖3.1所示，將障礙物的外接圓膨脹，以此來將運(yùn)動(dòng)物體看做一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，忽略其體積大校然后將所有障礙物中心點(diǎn)連線的垂直平分線延長連接起來。最后，保留最合適的線段并連接起點(diǎn)和終點(diǎn)。圖3.1Voronoi圖法建模示意圖基于Voronoi圖的路徑規(guī)劃實(shí)時(shí)性較好，生成的路徑安全性高，離障礙物較遠(yuǎn)且路徑較為平滑，但不能保證路徑的最優(yōu)性。最終路徑是由若干條固定的線段連接而成，線段條數(shù)少，路徑較為平滑，但同樣線段條數(shù)少，制約了路徑的多樣性，對(duì)于所有固定的局部路徑線段來說，最終路徑是最優(yōu)的，從全局來看卻不是最優(yōu)。（二）可視圖法


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