基于启发式搜索算法的水面自主无人艇避障策略

针对水面自主无人艇静态路径规划全局最优的问题,以提高全局路径规划算法精度为目标,提出了一种基于改进启发函数的全局路径规划方法。该方法采用栅格法对已知环境地形图进行建模,基于A~*算法设计了一种新型的启发函数,通过改变导航控制器的增益系数来对路径进行优化。考虑到水面障碍物漂移作用对水面自主无人艇路径规划产生的影响,通过设置不同的障碍物形态、大小来模拟水面障碍物漂移作用产生的漂移增量。采用MATLAB仿真平台进行多次实验测试,测试结果证明了改进避障策略算法的可靠性。     

面向不稳定障碍物的无人艇自主避障方法

为解决无人艇自主避障中感知系统测得的障碍物信息不稳定问题,提出一种符合国际海事避碰规则(COL-BEGS)面向不稳定障碍物的改进速度障碍算法(Improved Velocity Obstacle,IVO),算法利用最小会遇时间、距离自适应阈值来优化避障状态判断;使用滑动窗口以及前视视线解决无人艇因障碍物信息不稳定导致在进入和退出避障状态时的边界跳动问题;通过设置角度缓冲区降低了避障中避碰规则的频繁切换.最后,在自主开发的无人艇半物理仿真系统中与传统VO算法进行了对比,结果表明,IVO算法在边界判断和避障稳定性上较传统方法更有优势,证明了算法的有效性和可行性.     

水面无人艇危险规避方法

设计了一种符合国际海上航行规则的相对坐标系下动态规避方法,以处理水面无人艇的危险规避问题.根据国际海上航行规则将碰撞局面划分为追越、交叉相遇、正面相遇3种局面.计算相对坐标系下相对速度的改变量,并通过改变无人艇的航速和航向,完成对障碍物的危险规避.搭建了无人艇半实物仿真试验平台,以方便快捷地验证危险规避系统的可行性和可靠性.大量半实物仿真试验结果表明,基于所设计的无人艇危险规避方法可以有效地完成静止或运动障碍物的危险规避任务,规避航线合理,满足无人艇规避系统的要求.     

基于改进人工势场法的多无人艇避障策略

针对多无人艇编队避障问题,对静态避障的路径消耗问题进行建模分析,在动态避障时提出一种偏置人工势场法使策略符合艇群国际海上避碰规则（swarm International Regulations for Preventing Collisions at Sea,sCOLREGS）。本方法首先对传统人工势场法进行改进,定义符合艇群会遇态势判断需求的sCOLREGS,通过速度障碍法实时判断碰撞风险,然后利用偏置斥力区域的改进人工势场法实现对规则的遵守。仿真实验表明,本文方法在障碍物与编队大小相当时可显著减少避障路程,在确保避障实时性的同时,较好地遵守了国际海上避碰规则相关条例。研究结论可为海面无人艇集群安全航行提供参考。     

水面无人艇近程反应式危险规避方法研究

提出一种水面无人艇近程反应式危险规避算法.通过分析水面无人艇的运动特性,计算出水面无人艇当前动态窗口,采用弧线法对周围环境中障碍物进行处理,并将规避行为选择的多目标优化问题转化为一个单目标优化问题,通过快速搜索水面无人艇的动态窗口获得一组最优解.实验证明此方法具有快速性、稳定性和可靠性,能够胜任水面无人艇在复杂海洋环境...     

水面无人艇远程控制系统设计与实验

针对海上复杂环境对水面无人艇操纵性能的影响,在风、浪等环境因素干扰下研究基于模糊PID （proportional integral differential）的无人艇航向偏差控制,开发以DSP (digital signal processing) 结合ARM为核心控制器的艇载运动控制系统,采用阿里云服务器、Web服务器、Apache服务器及MySQL数据库,研发无人艇远程控制系统,并集成研发了样船。实验表明,所研发的无人艇远程控制系统具有远程通信、运动控制、状态监测、数据存储和数据共享的功能,能够满足远程通信实时性、运动控制灵活性精确性的设计要求,进一步提高对无人艇航迹控制精度,为近海小型智能船舶的研发奠定基础。     

基于势场法的无人车局部动态避障路径规划算法

根据无人车动态实时避障的需求,提出一种基于人工势场法的局部避障路径规划算法,通过改进势场环境及势场力来解决传统势场法局部极小值和目标不可达的问题. 考虑车辆碰撞安全性,对侧向动态障碍物和同向动态障碍物工况进行分析,采用动态窗口法进行实时动态避障规划. 同时为保证规划路径的平滑性和可跟踪性,采用贝塞尔曲线对轨迹进行平滑处理. 最后,在CarSim和Matlab/Simulink 联合仿真平台下,对所提出的控制算法进行验证. 仿真结果表明了规划算法的避障有效性、安全性以及可跟踪性.      

基于A*算法优化的无人水面艇路径规划

为了解决A*算法在无人水面艇路径规划中无约束条件导致的安全问题,提出一种对A*算法的搜索优化和平滑优化方法。首先,对电子海图数据中的海洋环境信息进行提取,采用栅格法建立路径搜索空间的海洋环境模型,并使用坐标对栅格统一编号;其次,引入安全距离约束对A*算法进行搜索优化;最后,通过引入转向角约束,消除冗余节点达到平滑优化的效果。实验结果表明,通过对A*算法的优化处理,提高了无人水面艇路径规划的安全性,满足无人水面艇在复杂环境中全局路径规划的需求。     

网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制研究

控制中心-执行器网络通道中存在的网络诱导时延、数据丢包等网络诱导特性以及外部环境干扰均会对无人艇的水面航行产生影响,进而使系统性能显著降低,航向控制系统稳定性受到影响,提出一种基于观测器的无人艇航向控制准则,以使无人艇在既定航向上快速、稳定地航行。在建立基于网络的无人艇航向控制系统模型的基础上,采用Lyapunov稳定性原理和凸分析方法,对能使网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制准则进行推导,设计出基于网络的航向控制器和观测器。仿真实验表明了所提出方法以及设计的控制器、观测器具有较好的性能。     

基于USV拖曳声纳的声信标定位方法研究

为实现声信标定位系统的精确化、智能化发展,文中提出了一种基于无人水面艇(unmanned ship vehicle, USV)拖曳探测声呐的声信标定位方法.利用USV配备的多核DSP芯片,对声纳采集平台接收的数据进行处理并实现声信标的定位.介绍了声信标定位系统的整体框架以及USV系统的工作模块,并且运用自回归(autoregressive model, AR)模型预白化算法和匹配滤波对接收信号进行降噪处理,然后利用离格点稀疏贝叶斯推断(off grid sparse bayesian inference, OGSBI)算法实现了声信标的波达方向(direction of arrival, DOA)估计.最后通过仿真实验进行验证,结果表明,定位方法能够实现对声信标的DOA精确估计,进一步实现了无人声信标定位系统.     

基于航海雷达的水面无人艇局部路径规划

要：
设计了一种基于航海雷达图像处理的规划方法,以处理水面无人艇的局部路径规划问题.利用边缘保持的去噪平滑算法和自适应阈值法对航海雷达的原始图像进行处理并建立了环境模型,采用距离寻优的Dijkstra算法搜索最佳路径,将所提出的算法经海上和湖上实验加以验证.结果表明,所得规划结果良好,搜索的路径距离较短、搜索速度较快并满足实验要求. 关键词：
水面无人艇; 航海雷达; 图像处理; Dijkstra算法; 局部路径规划 中图分类号： TP 391
文献标志码： A     

无人艇视觉系统多类水面目标特征提取与识别

针对海浪、海雾会造成无人艇视觉系统采集的视频图像模糊,影响目标特征提取和识别,且单一特征提取不能有效识别水面多类目标问题,在对无人艇采集的视频序列图像进行海雾去除和电子稳像预处理的基础上,提出一种多类水面目标组合特征提取和识别方法。首先分割清晰化后的图像,实现目标背景分离;然后提取不同目标几何特征、不变矩特征和纹理特征;最后采用基于组合特征和主分量分析降维的分级BP神经网络进行目标识别。通过实测、网络搜索和3D建模获得礁石、岛屿与船只3大类目标样本库,在MATLAB7.9下进行仿真研究,结果表明:多类水面目标组合特征提取和识别方法能有效实现无人艇视觉系统对海面3大类常见目标的分类识别,识别正确率达到85%以上。     

高速水面无人艇动态障碍物危险规避算法

水面无人艇(USV)是一种重要的海洋自主机器人,在障碍物环境中自主航行问题是当前USV的重要研究内容。针对高速USV在动态环境中的危险规避问题,提出一种基于行为的动态危险规避算法。算法首先对USV的运动特性进行分析获得基本运动空间,采用碰撞锥理论对USV与障碍物之间的情况进行判定,将海事规则约束和碰撞约束转换为USV基于行为的约束,通过求解基于偏航角度和速度的优化问题获得USV最优规避行为。仿真实验结果证明所提出的算法能够有效引导USV在高速(30 kn)情况下对动态障碍物实现有效危险规避。     

基于量子粒子群算法的无人水面艇路径规划

为了获得无人水面艇航行的最优路径,提高航行的安全性和航行路径的平滑度,提出一种基于量子粒子群优化的无人水面艇路径规划算法。首先,通过引入动态控制参数来提高该算法的寻优能力和搜索精度,并由测试函数验证其可行性;然后,在航行安全的前提下,以路径长度和路径平滑度为规划目标,在不同环境下对无人水面艇进行路径规划仿真实验。仿真结果表明,该算法在路径长度、路径平滑度及路径安全性方面表现较好,能找到全局最优路径。     

基于新型人工势场法的车辆避障路径规划研究方法

针对道路交通环境车辆避障的复杂性,对传统人工势场法进行了改进,将其应用于车辆的避障路径规划;该方法建立了道路边界危险斥力势场模型和障碍物斥力势场模型,并在传统障碍物斥力势场中引入速度因素,车辆在以上两种势场组成的复合场中受到道路边界斥力、障碍物斥力的作用。当达到受力平衡时,通过求解方程可以得到一条安全避障路径;并在避障过程中对车辆实施速度控制。仿真分析结果表明改进后的方法规划出的路径在避障过程中,车辆与障碍物的距离增加至少20 cm,可有效地提高避障的安全性;避障过程中对主车车速进行控制,可使主车的横摆角速度和侧向加速度降低至少20%,有效地提高车辆运行的舒适性和安全性。     

水面无人艇环境感知技术及应用发展

水面无人艇的环境感知能力是其执行任务的前提和基础.介绍了水面无人艇的发展现状,特别是近年来中国在无人艇领域的研发成果;总结了当前水面无人艇在本体状态感知和外界环境感知(主动式感知、被动式感知、融合式感知)领域的研究现状,分析指出各类环境感知技术的优势和不足.根据未来发展需求,提出基于水面无人艇的高精度水文信息反演、海-...     

波浪滑翔器编队避障方法

波浪滑翔器是一种可以长期工作的新型海洋机器人,主要应用于海洋环境的探测与数据采集。波浪滑翔器编队可以扩展单台设备的能力,同时提高任务的效率。利用领航跟随者法结合人工势场法,提出了多波浪滑翔器编队避障方法。通过领航跟随者形成波浪滑翔器编队的同时引入间距势能场,来实现编队队形的保持。人工势场作用下的波浪滑翔器编队被视为一个虚拟的多体系统,受到来自人工势场的虚拟力的约束。针对人工势场法的局部最小域问题,引入沿障碍物切线方向的引力,打破平衡状态,解决了局部最小域问题。最后通过仿真实验验证了所提方法的有效性。     

速度矢量场二阶滑模无人艇引导律

针对航速和航道未知扰动等因素,提出一种速度矢量场二阶滑模无人水面艇(USV)引导律。首先,建立无人艇运动学和航向角动力学模型;其次构造路径误差(y_e)模型,设计基于航速(V_g)的路径误差矢量场,速度越大,航向角变化越小;再结合二阶滑模面设计一种速度矢量场二阶滑模无人艇引导律,并考虑未知扰动因素Δ分析速度矢量场二阶滑模无人艇引导律的稳定性。仿真结果表明：相比于经典矢量场,速度矢量场有效实现航速V_g越快,航向角变化率越小,矢量场越平缓,提高了USV航行安全性和稳定性;基于速度矢量场二阶滑模无人艇引导律的路径跟踪控制系统鲁棒性更强,路径跟踪准确度更高,能够较好地完成路径跟踪。     

不确定环境下集矿机环境感知与实时避障研究

通过对海底集矿机作业特点及作业环境分析可知,采用传统势场法避障要解决的关键问题主要为局部极小问题,由此提出了基于人工势场法的改进算法。重新定义势函数,对斥力函数作了改进,建立了履带式集矿机的运动学模型,并成功应用于海底不确定环境下集矿机的实时避障。仿真结果表明:改进后的避障算法能够使机器人逃离局部极小,顺利避障并到达目标,具有较强的实用性与可行性。该研究对于海底采矿及水下机器人的避障具有一定的指导意义。