基于環境建模的USV軌跡規劃技術

張國棟,陳金鑫,吳鵬飛

(1.海軍研究院,北京 100161;2.海軍工程大學兵器工程學院,湖北武漢 430033)

1 概述

隨著“斯巴達偵察兵”等水面無人艇(Unmanned Surface Vessel,簡稱USV)正式裝備美海軍,同時在2003年的伊拉克戰爭中被劃到戰區進行相關實驗以來,水面無人艇已經被公認必將在未來的海戰中扮演重要的角色,可執行掃雷、反潛、電子戰等多種作戰任務。因此,深入研究水面無人艇技術,盡早裝備我軍,對提高戰斗力有重要意義。智能化是水面無人艇研發的重要方向之一,智能化意味著在復雜的海洋環境中無人艇可以和外部海洋環境進行自主交互,自適應海洋環境的變化,這種交互的一個重要方面就體現在無人艇的軌跡規劃上。

路徑規劃是這一領域發展的基本階段。此時,無人艇簡化為一個質點,沒有運動學和動力學特性。這一階段,無人艇的外形和尺寸也不對路徑規劃產生影響,規劃路徑最短、消耗資源最少、耗時最短是規劃的目標和限制條件。基于路線圖的規劃方法、基于網格的搜索算法以及各種具有優化目標的進化算法和啟發式算法,均屬于這一階段的規劃方法。然而,通過這種方法規劃出的路徑,與無人艇的實際路徑之間存在著較大差距。在實際海上任務中,無人艇很難執行這些路徑。在路徑規劃中加入無人艇運動學限制,催生了第二個階段——軌跡規劃。這一階段,無人艇不作為質點出現,而是具有合理假設的外形和尺寸。位置的一階導數包括平動速度、旋轉角速度,甚至二階導數包括平動加速度、角加速度等要素,限制了生成的可行軌跡集的規模。……