内河无人船局部路径规划和循迹控制

作者:侯春晓;许劲松;杨荣武; 刊名:船舶工程 上传者:林玉成

【摘要】提出内河无人船在水流中的局部路径规划算法,并在直线Line of Sight算法基础上设计了一般曲线路径的LOS循迹控制算法。结合此算法,内河无人船完成了航行试验,实现了在落潮和涨潮等不同水流条件下的无人自主航行,验证了所提算法的有效性和实用性,对内河无人船的应用研究具有借鉴意义。

全文阅读

0引言无人船(UnmannedSurfaceVehicles,USV)具备在3D(Dull枯燥、Dangerous危险和Dirty恶劣)环境下执行各项海上任务的潜力,可以有效避免人员伤害并同时大幅削减人力成本,已成为海洋领域的一个发展热点。而内河无人船更具有通信成本低、维护方便及法规设立相对容易等优势,完全可能成为无人船应用的一个突破口[1]。无人船的系统架构包含观测(Navigation)、决策(Guidance)以及控制(Control)3个关键模块[2],其中决策模块涉及静态离线的全局路径规划和动态实时的局部路径规划,而控制模块必然涉及循迹航行控制。对于内河无人船,因航道基本固定而降低了全局路径规划的难度,但是狭窄航道、交汇河道、跨河桥梁、船闸以及其他通航船舶的存在造成了内河航道条件的复杂性,而部分河段较大的水流速度以及内河船舶相对较差的欠驱动操纵特性[3]进一步加剧了内河航行的安全风险,因而对内河无人船的局部路径规划和循迹控制能力提出了相当高的要求。有关无人船路径规划的已有研究基本局限在静水环境,对风浪流的影响很少考虑。WARRENC等[4]利用势场法(PotentialFieldMethod)设计了AUV路径规划算法,适用于实时的局部路径规划,但无法避免局部最小值对规划结果的影响。ALVAREZA等[5]利用遗传算法(GeneticAlgorithm)实现路径规划,但计算速度过慢无法达到实时更新的要求。PETRESC等[6]利用改进的FastMarching算法设计了针对AUV的路径规划算法,部分考虑了AUV的操纵性约束,但只能实现二维计算。而考虑水流影响的路径规划研究,目前多集中在对航行时间、航行能耗和避障效果等方面的优化[7-11],仍属于静态离线的全局路径规划问题。整体而言,内河无人船的局部路径规划必须考虑水流影响,现有路径规划算法都不能完全满足应用要求。在无人船循迹控制方面,基于LOS视线法(LineofSight)的欠驱动船舶循迹控制算法应用较广。FOSSEN等[12]最早将航迹表示为几个离散点的直线连接,利用视线投射算法追踪和校正航迹的偏离,结合航向角反步法(Backstepping)完成欠驱动船舶的直线路径循迹控制;徐海祥等[13]通过将执行机构的数学模型放入控制器,使控制输出更为缓和;瞿洋等[14]在传统LOS算法中加入积分操作,减小了环境力造成的稳态误差;BREIVIKM等[15]进一步提出了针对曲线路径的LOS循迹方法,但在循迹过程中容易出现反应迟缓和跟踪缓慢等现象。总体而言,现有LOS循迹控制方法针对连续的一般曲线路径仍有较大的改善空间。本文针对在较大流速条件下的内河无人船应用,提出考虑水流影响的局部路径规划算法,并将直线路径的LOS循迹算法拓展到一般曲线路径的LOS循迹控制算法。通过一组内河船模通航试验,验证了所提算法的有效性和实用性,对内河无人船的应用研究具有借鉴意义。1内河航道的局部路径规划算法由于船舶在水流中的操纵性能难以准确估算,直接规划水流中的局部路径比较困难。本文以静水航道中的路径规划为基础,简化考虑水流对静水路径的影响,通过迭代搜索实现水流中的局部路径规划。1.1静水航道的局部路径规划由于内河航道存在跨河桥梁和船闸等通航障碍物,船舶必须沿桥孔或船闸的中心线航行,自然形成了若干必须经过的路径点,而两个相邻路径点之间的航线可以借助局部路径规划算法进行搜寻和优化。在已知船舶局部路径的起点位置、起点艏向、终点位置、终点艏向的条件下,可以将局部路径简化为如图1所示的三段直线和两段弧线,其中两段圆弧半径R1、R

参考文献

引证文献

问答

我要提问