摘要
水面无人艇作为一种新兴的智能化装备，可以在海面自主执行多种任务，在军事和民生方面均得到了广泛的应用。航迹规划作为无人艇智能系统的重要一环，直接决定了无人艇的自主航行能力。无人艇所处的海洋环境具有复杂性和多样性的特点，无人艇航行过程中不仅受自身船体动力的约束，还要考虑岛屿、暗礁等复杂繁多的障碍和海风、海浪、洋流的干扰。本文针对无人艇在实际航行中所受的复杂约束下的航迹规划问题进行研究，主要开展以下工作： （1）建立无人艇六自由度动力学模型，根据无人艇的运动特性对模型适当简化，建立无人艇三自由度动力学模型。针对无人艇实际航行中所受的风、浪、流的干扰，建立对应的环境干扰力约束模型。通过栅格法对电子海图下无人艇航行中真实海域的障碍环境进行建模，模拟无人艇航行中海面的多障碍约束。 （2）对多障碍约束下的无人艇全局航迹规划算法进行研究。对Dijkstra算法、A*算法、蚁群算法在多障碍环境下的航迹规划效果进行仿真实验对比；对A*算法在列表数据结构、评价函数、节点选择、冗余节点多个方面进行优化改进；通过仿真实验验证优化效果，实验结果表明改进A*算法与传统A*算法相比，在搜索空间上减少了50.7%，路径长度减少了2.26%，路径转折角度减小了50.8%。 （3）对动力学约束下无人艇局部航迹规划算法进行研究。介绍了一种基于轨迹预测的局部航迹规划算法——DWA算法，根据无人艇的动力学约束与海面航行的特点来对DWA的轨迹评价函数进行设计并进行仿真实验，实验表明算法在远距离航迹规划中存在死锁问题。 （4）针对复杂约束下无人艇动态航迹规划问题，提出一种基于改进A*算法与DWA算法的融合算法，在多障碍约束、无人艇动力学约束、海洋环境干扰力约束、动态障碍约束叠加的复杂约束条件下对算法进行仿真实验，分析实验中的问题并对算法进行优化设计，对全局航点更新策略进行了改进，新增了考虑海洋环境干扰约束的权重系数，改进后的融合算法相较于全局算法，安全距离提升了2.25倍，最大路径转折角度减小了57%；相较于局部算法，有效解决了死锁问题，算法的稳定性更高。
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