狭窄水域多船动态避障方法研究

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近年来,随着智能化航运的发展,智能船舶在航运业得到广泛关注,主要是在军事和民用领域。自动避障技术是智能船舶关键技术之一,不仅可以衡量其智能化水平,也是其高效、安全完成各项航行任务的前提。目前自动避障技术仍存在很多缺陷,尤其是在狭窄水域中对多船进行实时规避的问题亟待解决。本文以狭窄水域中智能船舶多船动态避障方法研究为主题,分析智能船舶狭窄水域动态避障需求,提出适用于船舶的自适应速度权值动态窗口算法,搭建智能船舶自动避碰系统,并开展实船实验进行验证。论文的主要工作包括:(1)研究智能船舶狭窄水域环境中的避碰特性约束,推导智能船舶与障碍船会遇时相对位置参数,并基于加权法对船舶碰撞危险度进行计算。通过分析狭窄水域船舶避碰会遇态势,比较各个避障算法的优缺点,确定以动态窗口法作为避碰决策的核心算法。(2)结合狭窄水域的环境特点以及智能船舶动力学特性,构建船舶二维运动模型,同时,根据船舶实际航行要求对评价函数中的速度目标函数和艏向目标函数进行推导计算,并引入自适应速度权值,提出基于自适应速度权值的动态窗口法,解决了动态窗口法在夹击会遇场景中由于固定的速度权值出现避碰失败以及避碰过程中离障碍物过近的问题。通过对比夹击会遇场景中两种算法的仿真,结果显示,在夹击会遇场景中,本文所提出的算法可以根据离障碍物的距离改变航速,具有更好的通过性和安全性。同时,对复杂环境下多船动态避障进行仿真,验证了改进算法的有效性。(3)搭建智能船舶自动避碰系统。首先,根据智能船舶在狭窄水域中的避碰需求,对自动避碰系统整体方案进行设计。然后,运用坐标转换与多线程的方法实现多传感器时间和空间上的融合,并通过Rviz可视化工具对融合之后的数据进行显示和传输,搭建基于ROS(Robot Operating System,机器人操作系统)的船舶定位于感知系统。最后,开发人机界面控制平台,实现传感器数据和控制参数的数字化显示,搭建船舶控制系统。(4)狭窄水域实船控制特性与避碰试验。根据前文研究的内容和所搭建的系,开展船舶控制特性试验、单船以及多船会遇情景下的避碰实验。结果表明基于自适应速度权值的动态窗口法能够对动态障碍物进行有效避让,避让轨迹更加平滑,验证了此实验平台的可靠性以及本文提出的改进避碰算法的有效性,为智能船舶在狭窄水域中多船动态避障提供了解决方法。
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