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作者：

程杰

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摘要：

近年来,世界各国的战略发展方向逐渐在海洋上铺展开来,无人水面艇是其中发展的热点,作为船舶智能的应用领域,无人水面艇在军事和民用都有广阔的前景.无人水面艇(以下简称无人艇)是一种通过自主路径规划完成作业的船艇,属于水上智能机器人的一种,具有体积小,运动灵活和速度快等优点.无人艇航行在海洋环境中,为了保证能够准确的避让其他船舶,障碍物等,它需要具有高度的自主能力,实现快速,准确,合理的规划出一条安全可行路径.因此,路径规划是无人艇实现安全自主航行的关键技术.路径规划可以分为两个方面:全局路径规划和局部路径规划.全局路径规划主要研究如何根据静态的,整体的环境信息规划出一条在起始点和目标点之间的可行路径;局部路径规划是在以全局路径规划结果的基础上结合无人艇实际航行过程中的动态信息规划一条避开动态障碍的可行路径.路径规划问题是无人艇实现自主航行首先要解决的问题.在无人艇全局路径规划中,电子海图是获取地理信息的主要方式之一,通过电子海图提供的环境信息规划出满足无人艇运动特性和安全航行的航线可以提高无人艇作业效率以及减少无人艇局部动态避碰的工作量.本文将无人水面艇全局路径规划作为研究对象,研究了S-57电子海图数据解析和存储,环境建模方法和路径规划方法,实现规划符合无人艇航行需求的全局路线.本文主要工作包括:(1)基于S-57电子海图的环境建模方法.对于无人艇,电子海图可以提供详细准确的全局海洋环境信息,本文使用S-57电子海图作为无人艇路径规划的环境模型的数据来源,S-57电子海图具有信息丰富,可无限放大及存储占用空间小等优点,但其封装结构是一种高压缩的数据交换格式,且数据结构较为复杂.要将电子海图应用到无人水面艇等特殊领域,需要对电子海图进行解析,读取和存储.本文首先分析S-57电子海图数据格式,使用矢量数据转换库OGR对S-57电子海图进行数据转换,将经纬度信息和障碍物信息等内容存储在xml文件中为后续环境建模提供数据,然后分析正方形网格和正六边形网格建模方法,使用两种网格划分建立海洋环境模型,两种模型中相邻网格的移动代价相同,在正方形网格环境模型中使用笛卡尔坐标系进行坐标计算,而在正六边形网格环境模型中引入立方体坐标系对网格坐标进行转换,简化坐标计算,提高路径规划算法的效率,最后通过理论对比分析两种网格的性能.(2)基于A*算法的无人艇全局路径规划方法.A*算法是全局路径规划中一种启发式搜索算法,它结合了Dijkstra算法和BFS算法,具有高效,快速等优点,本文在以上建立的两种环境模型基础上使用A*算法对无人艇全局路径规划进行研究,首先分析A*算法原理,然后分别在两种环境模型中研究启发函数的计算选取和搜索策略的改进方案来提高A*算法的搜索效率,最后根据《国际海上避碰规则》提出的船舶驾驶和航行规则,从船舶操纵性和航行安全两方面分析路径规划的约束条件,给出路径搜索优化和平滑处理方案.(3)通过实验验证正六边形网格环境模型对比正方形网格环境模型在算法搜索效率上有更好的性能.然后分析邻域扩展对算法效率以及规划路径多个参数的影响.最后验证本文给出的无人艇航行安全约束及相应处理方案的可行性,将邻域扩展方案和搜索优化方案组合得到多组实验条件,分析组合方法对规划路径参数的影响,最后选取本次实验择优方案,使用多目标实验数据,分析本文全局路径规划方法的有效性.实验结果表明,本文提出的正六边形网格环境建模方法和立方体坐标系对网格的坐标转换方法可以提高路径规划算法效率,使用电子海图中的真实数据作为环境模型的数据来源对规划路径更有实际参考性,在水域环境中考虑船舶操纵性和航行安全等因素,对路径规划算法加入一定的约束条件,能够在满足无人艇航行约束的前提下初步得到航行路线.

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