【摘 要】
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随着陆地资源逐渐枯竭,对海洋资源的开发与充分利用势必成为未来的主要研究热点,缓解我国在发展中所面临的资源短缺问题。考虑到效率与安全性,水下资源探测逐渐由机器取代人工,水下航行器的市场需求不断扩大,其长时间在水下执行越来越困难的任务,因此需要进行合理的航路规划,达到减少耗能、增强水下航行器的续航能力的目的。本文研究的是全局路径规划问题,A*算法是发展最为成熟的全局规划算法,通过研究传统A*算法和人工
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随着陆地资源逐渐枯竭,对海洋资源的开发与充分利用势必成为未来的主要研究热点,缓解我国在发展中所面临的资源短缺问题。考虑到效率与安全性,水下资源探测逐渐由机器取代人工,水下航行器的市场需求不断扩大,其长时间在水下执行越来越困难的任务,因此需要进行合理的航路规划,达到减少耗能、增强水下航行器的续航能力的目的。本文研究的是全局路径规划问题,A*算法是发展最为成熟的全局规划算法,通过研究传统A*算法和人工势场法的基本理论与原理,发现A*算法在搜索过程中存在无效节点以及无效转向的问题,因此本文将针对A*算法中存在的问题并结合人工势场法的思想,分别以减少路径长度和总转向角度数为优化目标,对路径规划算法进行改进,形成航行器水下三维路径规划的新方法。本文进行了以下研究工作:（1）研究分析了三种典型的适用于路径规划的建模方法其优缺点,确定利用栅格法并搭配数字高程模型建立水下三维模型。从安全性的角度出发,分别对人工障碍物和天然障碍物进行膨胀化处理,根据环境的复杂程度和使用工况,采用MATLAB编程创建了8张地图,为后续的规划算法提供仿真实验环境。（2）针对传统A*算法在进行水下路径规划时,由于存在多余节点以及无意义转向而导致所规划出来的路径长度增加、能耗增大问题,本文分别从节点剪枝、可视性检测和重构评价函数等方面对传统A*算法进行改进,以优化路径长度为目标,最终得到改进的节点剪枝A*算法,命名为L-A算法。最后在不同复杂度的地图中进行仿真实验,仿真实验结果表明,在这两种类型的地图环境下,L-A算法皆可起到缩短路径长度的作用,且环境越复杂,L-A算法的优化效果越好。（3）针对L-A算法的路径平滑问题,本文提出了一种融入人工势场法函数的改进算法,命名为P-A算法。该算法是在L-A算法的基础之上进行改进,在其原本的评价函数中添加一个势场启发函数项V（n）,使得最终生成的路径的总转角之和最小,起到了减少耗能的作用。最后在不同复杂度的地图中进行仿真实验,仿真实验结果表明,在这两种类型的地图环境下,两种改进算法对路径长度起到了同等优化作用,对于路径平滑程度的贡献度,P-A算法要优于L-A算法和传统A*算法。
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