1.1 研究背景及意义

近年来，由于气候变化异常，环境污染严重，使得海上应急事故发生增多，为了应对复杂多变的海上环境，保证海事人员的生命安全，无人化智能平台的研巧已经成为热点，据统计，在海洋船舶碰撞事故中，高达 89%-96%的事故都是人为因素直接或间接引起的^[1]。随着世界各国对无人船越来越广泛的应用和越来越深入的研究，对无人船自动化和智能化水平的要求也在不断提高。无人船需要在高度动态和不可预测环境中达到高级别的自主和智能，来确保自身、其他船只以及人和财产的安全。这就要求无人船在运动过程中具备与其周围环境进行交互的能力。即无人船可以从其周围环境中收集适当的信息，构造对应的环境模型，并利用环境模型来规划并执行上层任务，实现自主决策与避障。

1.2 无人船国内外研究现状

1.2.1国外无人船研究现状

英国普利茅斯大学研制的 Springer 号无人船，该船采用了SLAM技术克服GPS定位可靠性不够高的缺点。该无人艇基于哈默斯坦和维纳模型，采用遗传算法非线性预测控制的思想来进行实时局部路径规划。可以基于船舶航行环境预估船舶下一步位置^[2]。其主要用途是在内河、水库和沿海等浅水水域追踪污染物、测量环境和航道信息。

2012年9月，由FraunhoferCML公司、MARINTEK公司、Chalmers大学等8家研究机构共同合作的“MUNIN”（Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks）项目首次以无人散货轮为对象开展大型无人船的研究。拟设计的船舶通过雷达、AIS和红外传感器等监测周围环境，与此同时，所有的监控参数都会被实时地传输到陆地控制中心。

此外，还有美国 Northwind Marine Inc 制造的 Seafox 号小型、低成本无人艇。它采用基于进化协作规划的搜索算法，使用环境模型自主地规划安全和高效的路径。

1.2.2国内无人船研究现状

珠海云洲智能科技有限公司研发了全自动采样监测无人船、全自动测绘无人船等一系列产品。该公司研发的型号为 ESM30 的全自动采样监测船^[3]，船体使用高强度纤维增强型玻璃钢制造，结构尺寸为1150mm×750mm×430mm，最高航速为 3m/s，与地面岸基站或智能遥控器通过WiFi或 RF无线射频点对点双向通信。该产品具有集成化的 INS/GNSS、高精度陀螺仪和针对无人船的自主导航算法，可以主动探测和避让障碍物。它主要用于标准化地表水采样、移动式水质在线监测、水污染事故快速反应和富营养化监测等。

2015年7月27日，青岛市环保局与驻青海洋科研院所在棘洪滩水库共同开展了无人水质监测船实验^[4]。该无人船由国家海洋局第一海洋研究所无人船研究小组联合中国海洋大学等科研院校自主研发。船上搭载了高精度GPS、电子罗盘、气温、风速、风向传感器、声学测深仪、水上与水下摄像头、水下声学传感器和水样采集等系统。它由锂电池供电，最大续航能为20km，最大航速为3 节，最大无线通讯距离为40km。主要作用是为棘洪滩水库防震预警、生物监测、生态环境等提供基础信息。

1.3 避障算法的国内外发展现状

1.3.1基于模型构造的全局避障算法