清華新聞網(wǎng)12月28日電 路徑規(guī)劃指按照滿(mǎn)足一定需求尋找一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)無(wú)碰撞路徑的策略，是水面無(wú)人船的核心功能模塊和研究重點(diǎn)。良好的避障算法對(duì)保障航運(yùn)安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性具有重要意義。流體力學(xué)是海洋研究的基礎(chǔ)，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，流體力學(xué)和控制科學(xué)是兩個(gè)獨(dú)立學(xué)科。近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院任政儒及其合作者將二者結(jié)合起來(lái)，通過(guò)引入流體力學(xué)知識(shí)，克服現(xiàn)有基于流線(xiàn)的避障路徑規(guī)劃算法無(wú)法滿(mǎn)足海事航運(yùn)法規(guī)的問(wèn)題。
假設(shè)有一個(gè)很大的扁平水槽，在其一側(cè)打開(kāi)水龍頭（源）放水，另一側(cè)設(shè)置一個(gè)排水口（匯），無(wú)論水中有何種障礙物，水流始終會(huì)從水龍頭（源）流向排水口（匯）。基于流體力學(xué)的知識(shí)，可以計(jì)算出由一系列流線(xiàn)組成的整個(gè)流場(chǎng)，順著某一條流線(xiàn)便可以繞過(guò)障礙物抵達(dá)排水口。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出基于流線(xiàn)的避障路徑規(guī)劃方法，路徑的起始點(diǎn)和終點(diǎn)分別假設(shè)為源和匯，從而實(shí)現(xiàn)避障。
圖1.基于流線(xiàn)的避障路徑規(guī)劃算法的原理圖
與陸地機(jī)器人不同，水面無(wú)人船的避障需要遵守《國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》，需要以特定方向繞行障礙物（例如其他船舶），而傳統(tǒng)基于流線(xiàn)的避障路徑規(guī)劃算法難以滿(mǎn)足繞行避障要求。本研究創(chuàng)新地引入渦流函數(shù)，改造基于傳統(tǒng)方法生成的流場(chǎng)，使基于流線(xiàn)的避障路徑規(guī)劃算法可滿(mǎn)足海事按規(guī)范要求方向繞行障礙物。對(duì)于生成的流場(chǎng)，研究團(tuán)隊(duì)選取最優(yōu)繞行避障流線(xiàn)，離散化選取若干路徑點(diǎn)，并利用貝塞爾曲線(xiàn)將路徑點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)避障繞行路徑規(guī)劃。
圖2. 路徑規(guī)劃算法: (a)離散最優(yōu)路徑點(diǎn)選取，(b)根據(jù)路徑點(diǎn)生成路徑
圖3. 路徑規(guī)劃仿真驗(yàn)證：(a)滿(mǎn)足《國(guó)際海上避碰規(guī)則公約》的避障，(b)多運(yùn)動(dòng)障礙物的復(fù)雜場(chǎng)景避障
相關(guān)研究成果以“基于渦流改進(jìn)流函數(shù)的水面無(wú)人船避障制導(dǎo)算法”（A guidance and maneuvering control system design with anti-collision using stream functions with vortex flows for autonomous marine vessels）為題發(fā)表于《IEEE控制系統(tǒng)技術(shù)匯刊》（IEEE Transactions on Control Systems Technology）。
論文第一作者為密歇根大學(xué)安娜堡分校2020級(jí)博士生周宏宇，通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院任政儒助理教授。其他合作者包括挪威科技大學(xué)博士生馬蒂亞斯·馬利（Mathias Marley）和羅杰·斯科杰特納（Roger Skjetne）教授。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9756206
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
