摘 要

近年来，由于其优秀的远洋执行任务能力和自主特性，AUV有了很大程度的发展。尤其是AUV的路径规划问题，被认为是AUV研究中的重要问题之一。

在进行远洋航行和执行各种各样的任务过程中，考虑到AUV的安全性，AUV必须具备应对海洋洋流的干扰以及避开鱼群、礁石等环境中的障碍物的能力。因此，路径规划问题在AUV研究中显示了其重要性。优秀的路径规划不仅能够确保AUV的安全性，还能提高AUV的工作效率，减少能耗节省资源。所以，根据AUV的任务结合实际情况，选择合适的路径规划方法是很重要的。

本文结构如下：

第一章绪论将简要讲述AUV路径规划问题的发展和研究现状。

第二章则回顾几种经典的和广泛应用于AUV路径规划问题的路径类型以及各自的特点，包括Dubins路径，Clothoid曲线，PH曲线以及样条曲线。

第三章详细讨论用于解决3种AUV路径规划问题的方法，3种问题包括点对点（PTP）路径规划问题，路径跟随和轨迹跟踪制导路径，以及覆盖路径规划。

第四章设计仿真实验，从调研所知的方法中选择合适方法及算法解决一个含障碍的静态环境中点到点路径规划问题。

最后，对本文进行全文总结并给出AUV路径规划的发展方向。

关键词：自主式水下航行器，移动式机器人，路径规划问题。

Abstract

Recently, Autonomous Underwater Vehicle(AUV) has been well developing for its longer mission duration and autonomous feature. Especially the path planning problem, seems to be one of the most significant field in AUV research.

In process of long-distance navigation and a variety of assignments, for execute safely, the AUV should work with ability to avoid the obstacles autonomously. Due to this, path planning for AUV shows off its importance. A well path planner not only benefit to AUV’s safety, but also be meaningful to energy economy. Therefore, choose one kind of method of path planning according to one AUV’s practicality and the type of mission seems to be significant.

In Chapter1 in this article, the development of path planning method of the AUV will be briefly introduced.

In Chapter2, we will review several kinds of paths applied to path planning and point out their characteristics prospectively, such as Dubins, Clothoid curve, PH curve and Spline path.

Chapter3 discusses methods which solving 3 types of path planning problems specifically, including point-to-point path planning, path following and trajectory tracking and coverage path planning problem.

In Chapter4, a simulate experiment which aims to solve a point-to-point path planning problem will be designed. At last, a summary of this article and the forecast of AUV path planning problem will be given.

Key words: Autonomous underwater vehicles, Mobile robot, Path planning problem.

目录

第一章 绪论 1

1.1.研究目的及意义 1

1.2.国内外研究现状 1

第二章 路径类型 1

2.1.Dubins路径 2

2.2.Clothoid曲线 2

2.3.毕达哥拉斯矢端曲线 3

2.4.样条曲线 3

2.5.本章小结 4

第三章 AUV路径规划问题 5

3.1.点对点（PTP）的路径规划问题 5

3.1.1.静态障碍PTP路径规划 5

3.1.2.动态障碍PTP路径规划 7

3.2.轨迹跟踪和路径跟随 8

3.2.1轨迹跟踪中的制导路径 8

3.2.2路径跟随中的制导路径 9

3.3.覆盖路径规划问题 10

3.3.1.梯形分解法 10

3.3.2.往复分解法 11

3.3.3.基于莫尔斯函数的单元分解法 12

3.3.4.基于拓扑地标的覆盖路径规划 13

3.3.5.基于栅格图的覆盖路径规划 16

3.3.6.三维目标环境的覆盖路径规划问题 18

3.4.本章小结 21

第四章 多AUVs路径规划问题 22

4.1.多AUV覆盖路径规划 22

4.2.多AUV点到点路径规划问题 25

4.3.本章小结 25

第五章 AUV路径规划问题仿真 26

5.1.仿真对象 26

5.2.仿真内容 26

5.3.仿真方法 26

5.3.仿真步骤 27

5.4.仿真优化 32

5.5.本章小结 33

第六章 总结与展望 34

6.1.总结 34

6.2.展望 34

参考文献 35

致谢 42

第1章 绪论

1.1.研究目的及意义

路径规划是水下无人航行器（UUV）的一个重要研究领域，也是水下无人航行器的研究领域的核心问题之一；水下无人航行器在远程航行和各种作业过程中，为了安全地执行命令，就必须具备避开障碍物的能力，尤其是多自主式水下无人航行器(AUV)的路径规划，更要具备优秀的感知、规划和控制与决策等能力，能从周围的环境中收集信息，构造环境模型，并根据这个模型来规划最优路径、执行应用者下达的指令和任务，对于水下航行器执行水下作战、情报收集、资源探索、远程运载、科学研究等任务有重大意义。 

1.2.国内外研究现状

对于水下航行器而言，自主就意味着拥有自主导航及与外界环境交互的能力，其路径规划及躲避障碍的能力是自主式水下航行器完成自主安全航行的关键。而由于海洋环境的复杂多变性，自主式水下航行器的路径规划水平的高低又是确保其准确、安全航行的关键。近几十年来，世界各国学者针对自主式水下潜器的路径规划方法进行了大量的研究，研究出一些高效的路径规划方法。对于单自主式水下航行器，目前有Dubins路径、含有Voronoi曲线的Dubins路径以及比格拉达斯矢端（PH）曲线路径经典路径，有可视图法、Voronoi图法、概率法、势场法、单元分解法、基于样本概率算法和基于路标的拓扑结构图法等路径规划方法，对多无人水下航行器协同工作有Hazon和Kaminka提出的MSTC算法、生物启发自组织神经网络算法（SOM算法）、蚁群算法、最小分离距离法等路径规划的方法，有基于行为法、人工势场法、虚拟结构法、跟随-领航法等协同控制方法。

国内也以中科院沈阳自动化所和哈尔滨工程大学为中心，与中船重工集团702所、中科院声学所合作研究AUV及其路径规划，并用于声学光学和水文测量，取得良好成果。对于AUV的协同路径规划，国内外后续研究主要侧重对路径的选择优化，尤其是能源节省是路径优化的重要制约因素，目前的很多规划方法及算法已经经过模拟实验的理论验证，但仍有一些，例如考虑航行器工作时位置误差不确定性优化的方案这样的具有重大意义的优化规划方法在实际应用中效果并不理想，需要我们进一步的深入研究。

第2章 路径类型

最简单的路径是由直线构成的路径，单一直线路径在两点之间距离最短，并且在简单的无障碍环境中属于最优路径。然而，在实际应用中，环境总是复杂的。而多段直线构成的路径在每段直线连接点处一阶导数并不连续，对于机器人而言，在拐点航迹点处存在速度突变。因此，简单的直线路径应用性差，泛用度低。在这个背景下，产生了如Dubins路径，Clothoid曲线，PH曲线，以及样条曲线等能够并广泛应用的曲线路径类型，对移动式机器人路径规划问题有重大意义。

2.1.Dubins路径

由于简单直线路径在拐角航迹点处存在一阶导数不连续，最简单的无锐角拐角的最简单连续路径就是由直线与圆弧构成的路径^[2]，如图1所示。并且Dubins（1957）通过几何方法证明了两个航迹点间Dubins路径最短的说法^[2]。即使Dubins路径在航迹点间路径最短，Dubins路径依然存在两个明显缺点： 一方面，不是任何情况下都能在有障碍的两个航迹点间找到Dubins路径，是有条件的。能够找到连接两个圆弧的两个点的正切值是设计Dubins路径的基础，因此，如果这样的连接点不存在，那么就不存在满足这种情况的Dubins路径；另一方面，Dubins路径的曲率满足一阶导数连续而不满足二阶导数连续（即Dubins路径为类曲线）。也就是说，当机器人沿Dubins路径移动时虽然速度连续，但在直线与圆弧段连接处航迹点加速度不连续。因此，Dubins路径在实际中受到很大程度的运动学约束，不能得到广泛应用。