无人艇动态避碰控制系统研究文献综述
2020-04-29 18:51:31
水面无人艇是因军事作战、海事监管巡航、海洋环境监测等需求应运而生的新型智能水面航行艇，常被用来执行在复杂多变的海洋环境中特殊的、不适合有人船只完成的任务。它集速度快、安全性高、多功能一体化等特点于一身，可实现快速、高效、准确完成任务的要求。在复杂多变的海洋环境中，水面无人艇安全航行、顺利完成各项任务的一个重要的前提就是水面无人艇能够实现避碰功能．作为水面无人艇研究的核心技术之一，水面无人艇的避碰不仅从一定程度上反映了水面无人艇智能化水平的高低，也是水面无人艇实现自主安全可靠航行的关键技术之一。水面无人艇避碰技术包括无人艇全局路径规划和局部避碰。
目前，国内外已有许多专家学者对水面无人艇全局路径规划进行了研究，并取得了一定的研究成果。其中涉及到的研究方法包括可视图法、遗传算法、模糊算法、势场法、粒子群优化算法和 A*算法等。
A*算法是一种基于可视图的为了解决全局路径规划问题的算法。该算法的优点在于结合了可视图法处理无人艇避让障碍物，同时运用启发式的方法增强可视图法对环境的适应性和实时性，不仅克服了传统可视图法灵活性差的问题，还
可以提高规划效率。同时针对不同情况基于不同算法解决了众多实际问题。如利用基于离散空间遗传算法、基于势场栅格法的人工势场算法进行路径规划，并选取合适的参数缩短规划时间和优化规划路径，提高了水面无人艇的安全航行效率。
目前，在解决水面无人艇局部避碰问题时众多学者将智能算法应用到局部避碰过程中，有些方法考虑了无人艇的操纵运动特性和外界环境的干扰，在环境模型的建立过程中有利用航海助航仪器进行环境识别，并通过仿真验证避碰的有效性。
Almeida等利用航海仪器、传感器等探测障碍物，根据障碍物距离进行危险等级划分，加以避碰。在研究过程中，通过摄像机获取外界环境信息，输入“Ｃ＆Ｃ”框架进行处理，实现无人艇局部避碰。此外还有更多改进方法对无人艇进行避碰规划，取得了一定成果。{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}| 一、研究内容 1. 收集国内外无人艇动态避碰系统的控制策略，分析和总结各种算法的优缺点； 2. 建立无人艇运行过程中外部环境的数学模型； 3. 根据动态优化算法原理，设计一种无人艇动态避碰策略，使无人艇既能够遵守通用的海事规则，又能够在危急时刻进行最佳的动态避让，保证无人艇的运行安全； 4. 模拟海上运行和内河运行时的各种复杂工况，测试所设计的动态避碰策略的可行性和优越性。 二、技术方案 无人艇动态避碰系统研究包括三个部分：在极坐标下的航迹规划建模、基于粒子群算法的全局路径规划与局部避碰和仿真与实验。 第一步，通过对无人艇的航行时的速度、方向等实际情况的考量，在三维坐标下建立无人艇模型，并且根据电子海图对无人艇航行时的环境建立静态环境模型以及动态避碰模型。 第二步，充分了解粒子群算法的内容，在基于粒子群算法上充分考虑海事规则等实际情况对静态路径以及动态路径进行规划。 第三步，设计仿真实验，模拟海上运行和内河运行时的各种复杂工况，测试所设计的动态避碰策略的可行性和优越性。 最后，完成毕业论文的撰写和完善。 |
| （1）. 吴博, 文元桥, 吴贝, 等. 水面无人艇避碰方法回顾与展望[J]. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2016, 40(3): 456-461. （2）. 杜开君, 茅云生, 向祖权,等. 基于海事规则的水面无人艇动态障碍规避方法[J]. 船海工程, 2015, 44(3):119-124. （3）. 吉大海, 杨溢, 戴捷,等. 高速水面无人艇动态障碍物危险规避算法[J]. 应用科技, 2014(3):40-45. （4）. 庄佳园, 张国成, 苏玉民,等. 水面无人艇危险规避方法[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2013, 43(s1):126-130. （5）. 苏义鑫，石兵华，张华军，等. 水面无人艇航迹规划算法设计与仿真[J]. 武汉理工大学学报，2016，38（6）：84-88 （6）. 向祖权，靳超，杜开君，等. 基于粒子群优化算法的水面无人艇分层局部航迹规划[J]. 武汉理工大学学报，2015，37（7）：38-45 （7）. 秦元庆，孙德宝，李宁，等.基于粒子群算法的移动机器人路径规划[J].机器人，2004(3):222-225 （8）. 孙波，陈卫东，席裕庚. 基于粒子群优化算法的移动机器人全局路径规划[J].控制与决策，2005(9):1052-1055. （9）. 庄佳园，张磊，孙寒冰，等. 应用改进随机树算法的无人艇局部航迹规划[J].哈尔滨工业大学学报，2015，47（1）：112-117. （10）. 唐平鹏，刘德丽，洪昌建，等. 水面无人艇全局航迹多目标规划算法[J].华中科技大学学报:自然科学版，2015，43（S1）：290-293. （11）. 张丽平.粒子群优化算法的理论及实践[D].杭州：浙江大学，2005 （12）. 庄佳园，苏玉民，廖煜雷，等. 基于航海雷达的水面无人艇局部路径规划[J].上海交通大学学报，2012，46（9）：1371-1375. （13）. 马闯，殷波，马文帅. 水上机器人三维实时避障算法研究[J].微计算机信息，2009，25（3-2）：235-237. （14）. Hangucn Kim，Donghoon Kim,Jae-Ukshin, et al. Angular Rate-constrained Path Planning Algorithm for UnmannedSurface Vehicles[J].Ocean Engineering,2014,84(4):37-44. （15）. Caccia M, Bibuli M, Bono R, et al. Basic navigation,guidance and control of an Unmanned Surface Vehicle[J]. Autonomous Robots,2008, 25(4):349-365.
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水面无人艇是因军事作战、海事监管巡航、海洋环境监测等需求应运而生的新型智能水面航行艇，常被用来执行在复杂多变的海洋环境中特殊的、不适合有人船只完成的任务。它集速度快、安全性高、多功能一体化等特点于一身，可实现快速、高效、准确完成任务的要求。在复杂多变的海洋环境中，水面无人艇安全航行、顺利完成各项任务的一个重要的前提就是水面无人艇能够实现避碰功能．作为水面无人艇研究的核心技术之一，水面无人艇的避碰不仅从一定程度上反映了水面无人艇智能化水平的高低，也是水面无人艇实现自主安全可靠航行的关键技术之一。水面无人艇避碰技术包括无人艇全局路径规划和局部避碰。
目前，国内外已有许多专家学者对水面无人艇全局路径规划进行了研究，并取得了一定的研究成果。其中涉及到的研究方法包括可视图法、遗传算法、模糊算法、势场法、粒子群优化算法和 A*算法等。
A*算法是一种基于可视图的为了解决全局路径规划问题的算法。该算法的优点在于结合了可视图法处理无人艇避让障碍物，同时运用启发式的方法增强可视图法对环境的适应性和实时性，不仅克服了传统可视图法灵活性差的问题，还
可以提高规划效率。同时针对不同情况基于不同算法解决了众多实际问题。如利用基于离散空间遗传算法、基于势场栅格法的人工势场算法进行路径规划，并选取合适的参数缩短规划时间和优化规划路径，提高了水面无人艇的安全航行效率。
目前，在解决水面无人艇局部避碰问题时众多学者将智能算法应用到局部避碰过程中，有些方法考虑了无人艇的操纵运动特性和外界环境的干扰，在环境模型的建立过程中有利用航海助航仪器进行环境识别，并通过仿真验证避碰的有效性。
Almeida等利用航海仪器、传感器等探测障碍物，根据障碍物距离进行危险等级划分，加以避碰。在研究过程中，通过摄像机获取外界环境信息，输入“Ｃ＆Ｃ”框架进行处理，实现无人艇局部避碰。此外还有更多改进方法对无人艇进行避碰规划，取得了一定成果。
