摘 要

路径规划问题是研究智能领域的关键技术，也是目前关于水面无人艇探讨的非常重要的一部分。水面无人艇在海面上航行具有智能化、无人化和机械化的特点，故实现无人艇的重要条件是能够快速的、有效的实现其避碰的功能。水面无人艇的路径规划包括两个部分：全局路径规划和局部路径规划^[1]。其中，全局路径规划是基于无人艇外部环境已知的条件下所进行的静态轨迹规划，而局部路径规划则是基于外部环境未知的实时的避碰功能。本文主要研究在静态环境下无人艇的全局轨迹规划。

　　 本文主要完成的工作有： 收集国内外无人艇静态轨迹规划系统的优化策略，分析和总结各种算法的优缺点； 建立无人艇预定运行路径沿途的外部环境的数学模型； 根据动态优化算法原理，设计一种无人艇静态轨迹规划算法，使无人艇既能够遵守通用的海事规则，又能够兼顾安全性、经济性，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，测试所设计的无人艇静态轨迹规划策略的可行性和优越性。

关键词： 无人艇； 避障； 海事规则； 静态轨迹规划

Abstract

Path planning is a key technology for the research of intelligent robots, and it is also one of the important contents of the research direction of unmanned watercraft at present. Unmanned surface watercraft is characterized by its high speed, motorization and intelligence. Therefore, efficient and reliable barrier path planning is of utmost importance. Unmanned path planning includes global path planning and real-time dynamic collision avoidance. Among them, the global path planning generally adopts the static method based on electronic chart. This paper mainly studies the trajectory planning of unmanned boats in a static environment.

　　The main work accomplished in this thesis is as follows: Collecting the optimization strategy of static trajectory planning system for unmanned boats at home and abroad, analyzing and summarizing the advantages and disadvantages of various algorithms; Establishing the mathematical model of the external environment along the scheduled running path of unmanned boats; According to the dynamic optimization algorithm In principle, an unmanned boat static trajectory planning algorithm is designed so that the unmanned boat can not only comply with the general maritime rules, but also take into consideration the safety and economy to ensure the safety of the unmanned boat. ④When simulating the operation of the sea and river running The various complex working conditions, testing the feasibility and superiority of the designed static trajectory planning strategy for unmanned boats.

Keywords : unmanned boats; obstacle avoidance; maritime rules; static trajectory planning

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 无人艇的应用领域 6

1.4 研究内容及结构安排 7

第2章 无人艇的路径规划 8

2.1 路径规划的定义 8

2.2 路径规划的分类 9

2.3 路径规划问题的实现 9

2.4 国际避碰规则 9

2.5 本章小结 10

第3章 模型的建立 11

3.1 无人艇模型的建立 11

3.2 环境模型的建立 11

3.2.1 可视图法 11

3.2.2 栅格法 13

3.2.3 人工势场法 13

3.2.4 链接图法 14

3.3 环境模型的建立 16

3.4 本章小结 17

第4章 算法的分析 18

4.1 遗传算法 18

4.2 蚁群算法 19

4.3 模拟退火算法 22

4.4 粒子群算法 24

4.4.1 粒子群算法定义 24

4.4.2 粒子群算法的步骤 24

4.4.3粒子群算法流程图 25

4.4.4 轨迹规划算法设计 25

4.5 本章小结 26

第5章 结果仿真与分析 27

5.1 结果仿真 27

5.2 本章小结 30

第6章 结论 31

参考文献 32

致 谢 34

第1章 绪论

本章主要对无人艇静态轨迹规划的选题背景进行了一些简单的介绍，并对目前无人艇在国内外的发展状况进行了了解，学习无人艇所应用的领域，最后对本文所要研究的内容以及文章结构进行了安排。

1.1 选题背景

近年来，作战方式发生了很大的变化, 从以往的人工作战方式逐渐转变到现在的无人作战方式, 无人系统的发展越来越受到世界上各个国家的关注，世界上越来越多的国家也投入非常大的人力、物力和财力用于无人系统。如在空中研究各种不同类型的无人侦察机、无人轰炸机等；在地面研究无人驾驶汽车、智能机器人、无人指挥平台和无人拦截系统；在水面上研发无人船舶、无人艇等等^[2]。无人平台在以后的作战领域、演习领域、危险环境下的侦测、搜救工作等将会发挥着越来越重要的作用。