![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
基于改进快速行进法的水面无人船全局路径规划.pdf
《基于改进快速行进法的水面无人船全局路径规划.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于改进快速行进法的水面无人船全局路径规划.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第44卷第3期2023年9 月D0I:10.13340/j.jsmu.2023.03.002上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime UniversityVol.44No.3Sept.2023文章编号:16 7 2-9498(2 0 2 3)0 3-0 0 0 5-0 7基于改进快速行进法的水面无人船全局路径规划张乃天,陈世才,蒙子昕(大连海事大学航海学院,辽宁大连116 0 2 6)摘要:为解决将快速行进法用于水面无人船(unmanned surfacevehicle,U SV)全局路径规划所得路径安全性低和复杂度高的问题,对快速行进法进行改进。为提高所规划路
2、径的安全性,设置障碍物时间场函数使USV能远距离避障。为降低所规划路径的复杂度,设置梯度拐点评价函数使USV转向次数减少。通过MATLAB分别对改进快速行进法与传统快速行进法、快速行进平方法进行对比分析,仿真结果验证了本文所提算法的可行性和有效性。关键词:水面无人船(USV);全局路径规划;快速行进法;障碍物时间场函数;梯度拐点评价函数中图分类号:U664.82Global path planning of unmanned surface vehicles based on文献标志码:Aimproved fast marching methodZHANG Naitian,CHEN Shica
3、i,MENG Zixin(Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning,China)Abstract:In order to solve the problem of low safety and high complexity of the obtained path in theglobal path planning of unmanned surface vehicles(USVs)by the fast marching method,the fastmarching method is im
4、proved.In order to improve the safety of the planned path,the obstacle time fieldfunction is set to make USVs avoid obstacles from a long distance.In order to reduce the complexity ofthe planned path,a gradient inflection point evaluation function is set to reduce the number of USVturning.The improv
5、ed fast marching method is compared with the traditional fast marching method andthe traditional fast marching square method by MATLAB.The simulation results verify the feasibility andeffectiveness of the proposed algorithm.Key words:unmanned surface vehicle(USV);global path planning;fast marching m
6、ethod;obstacletime field function;gradient inflection point evaluation function关于积极推进“互联网+”行动的指导意见中将0引 言推动人工智能技术在无人船系统领域的融合应用定无人驾驶技术是最前沿的高新技术之一,在航为国家战略。水面无人船(unmanned surface海领域具有广阔的技术可行性和应用前景。我国在vehicle,U SV)的发展取决于感知、导航和控制等关收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 8 修回日期:2 0 2 2-0 6-14作者简介:张乃天(1995),男,陕西汉中人,硕士研究生,研究方向为航
7、海科学与技术,(E-mail);陈世才(196 6 一),男,浙江台州人,教授,硕士,研究方向为船舶智能避碰,(E-mail)http:/hyxb 6键技术,而这三者都是USV 路径规划技术的延拓2。因此,精准的路径规划是USV快速发展的技术保证。主要从局部和全局两个方面研究USV路径规划。局部路径规划侧重于解决动态避障问题,对规划算法的时效性要求较高;全局路径规划侧重于解决静态避障问题,对规划算法的经济性要求较高。方法人工势场法4-6 基本思想简单,应用方优势便,所规划路径较为安全劣势容易陷入局部极小值相较而言,快速行进法不会陷入局部最优,具有简便、响应速度快的优势,在全局路径规划方面极具应
8、用潜力。然而,其所规划路径安全性低、复杂度高,不利于USV后续路径跟随。国内外众多学者针对快速行进法应用于USV全局路径规划的缺点进行了一系列改进,如引人路径点生成器使USV更易于实现路径跟随14,通过在不同的目标位置使用2次快速行进法的快速行进平方法使得所规划路径更加安全13-15等,但上述改进方法并不能使所规划路径兼顾安全性和易操作性。因此,本文引入障碍物时间场函数来限制规划路径与障碍物间的距离,并利用梯度拐点评价函数优化拐点数量,提升规划路径的安全性,降低规划路径的复杂度。通过设计模拟统计实验,确定障碍物时间场函数和梯度拐点评价函数中的最佳参数。通过仿真对比,验证如此改进的快速行进法的可
9、行性和有效性。1传统快速行进法快速行进法是一种典型的水平集方法,其由非线性偏微分方程中的程函方程推导而来。程函方程为u/Vtl=1式中:u表示曲线传播速度;t表示曲线到达当前位置所需的时间。程函方程的物理含义为曲线以速度到达计算区域内每一点所需的最短时间。设(x,y)是当前所求点的坐标值,t是x轴方向t值较小的一个邻居,t2是y轴方向t值较小的一个邻居15,即ti=min(t(x-Ax,y),t(x+Ax,y)t2=min(t(x,y-Ay),t(x,y+Ay)http:/上海海事大学学报然而,两者都在规划算法的安全性方面具有较高要求3。USV路径规划旨在得到一条起止点间易于船舶操作的最短安全
10、路径。国内外学者已相继将人工势场法、A*算法、遗传算法、Dijkstra算法和快速行进法等应用于USV的全局路径规划,这些算法的优劣势见表1。表1USV全局路径规划算法的优劣势A*算法7.9 遗传算法10 搜索时间短,效算法高效,可以并行率高处理路径复杂度高,不内存需求大,所求路径利于USV路径跟踪缺乏收敛性和一致性t1Ax、A y 分别是和y轴方向上的间距,t(x)是当前待求点的值,则有t1+Vt(x,)1t2+,titt2从t(x,)=0 的位置开始,运用式(6)迭代求解下一位置的t值,在后续的迭代过程中当前位置的t值由上一次求解得到的t值计算得到,当所有点求解完成时迭代过程结束。从势场角
11、度来理解快速行进法在路径规划中的应用:通过模拟波的传播过程,以起点为场的最低值,以一个栅格的长度为步长向外围扩散,构建出覆盖全局的时间场。当时间场确定时,输入终点坐标,从终点位置开始,通过梯度下降法在时间场中迭代求解,直到起点所在位置迭代结束,即可得到一条从终点到起点的路径,具体过程见图1。海图处理建立时间场(1)输入起点位置,根据式对所选区(6求解栅格域的海图进点的时间场行二值化、值,选代求解,栅格化处理直到所有点求解完毕图1快速行进法路径规划过程示意图2改进快速行进法(2)(3)hyxb 第44卷Dijkstra 算法 1快速行进法12-15简单有效,路径简便,响应速度快收敛内存需求大,路
12、径复杂度高全性低t(x.)t2Ax2(t)一t1传统快速行进法存在如下问题:所规划路径距路径复杂度高,安(t.)t22一(4)Ay+(t)-2Ay,t2tti处理时间场最佳路径将障碍物输入终点处时间场值坐标,通过梯进行极大化度下降法求处理解最佳路径(5)(6)第3期离障碍物太近,安全性低;所规划路径拐点过多,复杂度过高。针对上述问题,对传统快速行进法作出如下改进:引入障碍物时间场函数,用梯度拐点评价函数代替梯度下降法。障碍物时间场函数用于增加所规划路径与障碍物之间的距离,梯度拐点评价函数用于限制所规划路径的拐点数量。2.1障碍物时间场函数障碍物时间场函数是在障碍物边缘与函数影响范围边缘之间设置
13、的具有场值逐层递减特点的时间场函数。具体设置如下:tob2d,D)式中:k。表示障碍物时间场系数;d,表示当前位置与障碍物之间的距离;D表示障碍物时间场的影响范围。在避障过程中,USV安全与否取决于其与障碍物之间的距离,而距离与安全性之间的关系主要取决于USV的类型和大小。只要USV的类型和大小以及海图确定,障碍物时间场影响范围D即可确定。障碍物时间场系数k。影响障碍物时间场场值的大小,k。越大各点的场值越大,反之场值越小。时间场的分布情况直接决定USV靠近障碍物的难易程度,场值越大USV到达该点所需的时间越长,反之越小。因为传统快速行进法使用梯度下降法求取规划路径,其本质是寻找时间场场值下降
14、最快的方向,所以某一区域的场值越高,路径越不容易进人该区域。因此,障碍物时间场的场值越大,USV越容易远离障碍物。但在USV航行过程中并不是距离障碍物越远越好,USV距离障碍物越远,路径就越长,经济效益就会越差,因此需要根据情况选取合适的kab。在图2 和3中,x值表示横轴方向上的栅格位置,值表示纵轴方向上的栅格位置,tx)表示(,y)处的时间场场值,x、y、t(x,)均无量纲。如图2 所示,根据障碍物时间场函数构建围绕障碍物的时间场,该时间场具有以下特点:(1)越靠近障碍物,障碍物时间场的场值越高,反之越小;(2)障碍物时间场外的场值为0;(3)从障碍物边界到影响范围边界,障碍物时间场场值逐
15、层递减。障碍物时间场构建完成后,利用叠加原理,将全局时间场与障碍物时间场叠加,就可以得到如图3所示的全局-障碍物时间场。由图3可见,相较于传统快速行进法构建的时间场,叠加时间场在障碍物张乃天,等:基于改进快速行进法的水面无人船全局路径规划附近的场值明显大得多。10080604020F020406080100X图2障碍物时间场2.2梯度拐点评价函数梯度拐点评价函数是在视域范围内用于寻找梯度下降最快且拐点数量最少的路径的评价函数。具(7)体如下:设立船舶视域范围,其由USV的类型、大小以及所选海图比例尺决定。在视域范围内,设置梯度拐点评价函数:E=w,/At+w2nWi+W2=1式中:t表示归一化
16、处理后的场值差;n表示归一化处理后的拐点数;w,和wz表示权重。拐点指视域范围内某一路径因方向改变而产生的点。在梯度拐点评价函数中,t与E成反比,n与E成正比;t越大则到达起点所需的时间越短,即所规划路径越短。选择出适合的视域范围后,在视域范围内对所有可行的路径利用评价函数计算每条路径的E值,然后选择E值最小的路径,即选择拐点更少且更快到达起点的路径。改进快速行进法的流程见图4。海图二值化、输入海图、开始栅格化处理起止点坐标从起点坐标刑依据式(6)生成始遍历海图全局时间场用梯度拐点评价序贯组合已评价合成全局-障碍函数求解相邻拐点间的最优路径拐点的最优路径N到达起点Y输出最优路径图4改改进快速行
17、进法的流程3算法参数设置由上述改进快速行进法可知,障碍物时间场函数和梯度拐点评价函数中的参数会对算法的可行性和有效性产生巨大影响。现通过实验分析确定梯度拐点评价函数和障碍物时间场的最佳参数,因为本文将船舶速度设为1,所以坐标值和时间均为无量http:/7160140120100(x)806040200100图3全全局-障碍物时间场(8)(9)根据式(7)Y生成障碍存在障碍物物周围的IN时间场物时间场结束hyxb 50050100X8纲数据。3.1障碍物时间场相关参数设置在障碍物时间场函数中,当前位置与障碍物之间的距离d,和障碍物时间场的影响范围D均基于栅格化后的海图确定,因此这两个参数会受到所
18、选海图比例的影响。只要USV属性和海图比例尺确定,D的大小即可确定。由图5可见,设置障碍物时间场可使得路径距起点起点上海海事大学学报离障碍物较远。当30 0 kob500时,障碍物时间场系数kb对路径有较大的影响;当kb500时,kb对路径影响不大。当k。的取值在可对路径产生影响的范围内时,可知:(1)若k。值较大,则路径距离障碍物较远,反之则较近。(2)若k。值增加则路径长度增加,反之则减少。(3)kb值增加,所规划路径的安全性增强,但经济性降低;k。值减小,所规划路径的安全性减弱,但经济性提升。起点第44卷起点终点(a)kob=300由上可知,k。值的选取对路径有较大的影响。现探讨k值对所
19、规划路径的安全性和经济性的影响,从而寻找出最佳的k。值。用D,表示路径的安全性,由如图6 所选取的G点与路径之间的栅格距离d衡量。用D,表示路径的经济性,由所规划的路径栅格长度l,衡量。d,与D,成正比,l,与D,成反比。图6 G点所在位置将D,和D,进行归一化处理后,在30 0 到10 0 0之间均匀选取10 0 个k值,分别统计其对应的D,和D2。分别对统计得到的数据进行拟合处理,结果见图7 和8。1.00.80.60.40.230004005006007008009001000kob图7D,与k。b 拟合结果-16.040.137 9-5.8734.906 10-2.http:/终点(b
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 改进 快速 行进 水面 无人 全局 路径 规划
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。