复杂海洋环境中的无人船自主扫海路径规划研究

摘要

扫海作业是对目标水域地形的探测过程，传统的扫海作业是通过船舶携带海洋探测设备进行的，由于海洋环境的恶劣，工作强度和成本非常高，采用无人航行器进行扫海探测会节约大量成本，提高效率，特别是水面无人船（简称USV）对浅水航区的适应性和通讯与控制的可实现性，有望在未来扫海作业中得到大量的应用。但是风、浪、流所带来的影响对无人船不可忽视，因此自主扫海中计及风、浪、流的影响，以及海底地形的影响成为必然。 本文针对USV扫海作业研究了考虑上述因素的USV的路径规划、单区域覆盖和多区域覆盖路径规划的特点，构建了相应的数学方法，并通过仿真试验验证了所研究的方法的有效性和可行性。 本文主要开展了以下方面的研究工作： 首先，确立USV路径规划的基本原则，即最少转向次数、最短路径和匀速运动的有机平衡。为达此目的，本文使用STAR-CCM+软件采用CFD方法计算了USV的静水阻力，以此为基础，完成了USV的气动阻力计算，并与风洞试验数据进行了对比验证。对比结果说明了仿真计算的有效性，可作为路径规划的输入参数。 其次，对现有典型的USV障碍物传感器数据进行了分析，进行了电子海图与典型USV障碍物传感器信息的有机融合，搭建了栅格化的USV环境地图。 再次，进行了复杂海洋环境中区域间移动路径规划方法研究。建立了无人船在风浪流环境和回转性能约束下的路径规划模型，并进行了仿真验证，仿真结果说明了算法的可行性。 最后，进行了USV扫海区域覆盖路径规划方法研究。考虑多种障碍物和海底地形情况，并构建了一种改进的单区域及多区域USV扫海区域覆盖路径规划方法。进行了仿真验证，仿真结果说明了方法的有效性。 结果表明：本文提出的方法能够实现USV高效全面的完成扫海区域覆盖。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

1.4 论文的组织结构

1.5 本章小结

第2章 无人船模型与参数计算

2.1 USV的运动模型

2.2 USV气动阻力模型与风洞试验

2.3 本章小结

第3章 基于电子海图与传感器的地图建立

3.1 电子海图

3.2 传感器

3.3 数据处理

3.4 栅格环境地图建模

3.5 本章小结

第4章 区域间移动路径规划

4.1 标准A星算法与D星算法

4.2 改进的路径规划方法

4.3 仿真验证

4.4 本章小结

第5章 扫海区域覆盖路径规划方法

5.1 蚁群算法

5.2 传统的区域覆盖方法

5.3 传统算法对扫海的适用性

5.4 优化目标

5.5 探测设备与探测宽度

5.6 改进的扫海作业覆盖方法

5.7 区域分解方法

5.8区域连接航线方法

5.9 漏扫区域处理

5.10 仿真验证

5.11 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得科研成果

致谢