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航海模拟器视景系统中自主拖轮运动规划算法及实现的研究

作　者: 刘斯云
导　师: 金一丞
学　校: 大连海事大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 航海模拟器三维视景自治式拖轮人工势场运动规划
分类号: U666.158
类　型: 硕士论文
年　份: 2001年
下　载: 108次
引　用: 5次
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内容摘要

随着世界经济的蓬勃发展、海运事业的蒸蒸日上，船舶亦向着大型化，甚至超大型化的方向发展。在这种趋势下，对船舶进行操纵变的越来越困难，尤其是在进出港、靠离码头、狭水道航行、系离浮筒等船速较小而舵效较差、操纵余地又极为有限的情况下，仅仅依靠船舶自身的动力性能对其进行操纵，并要与他船或障碍进行有效的相互避让，更是如此。此时，一条或多条拖轮同时的正确应用，就显得非常必要。因此，在航海模拟器视景系统中加入拖轮视景的显示模块，也就有着十分重要的意义。针对航海模拟器视景系统中自主拖轮均处于复杂的动态环境，提出了一种基于局域网传输和人工势场相结合的虚力导航和运动规划算法。这种算法能有效地对拖轮进行实时导航、避碰与定位。导航算法的基本思想是根据拖轮自身的运动信息和周围环境的状态信息，虚力系统通过所获得的当前综合信息决定拖轮的未来运动，仿真结果表明该方法实时性好，拖轮能准确躲避障碍物且到达目标点。该规划算法的巧妙设计及其简便、高效的实现，使一艘或多艘自主拖轮能够同时加入三维视景系统进行显示，并能自动、准确地避碰、导航和定位，从而彻底改写了模拟器视景系统中没有拖轮视景的历史，使航海模拟器的视景系统在完备性、完善性及实用性等方面得到大大地提高，能更好地服务于教学及科研等领域。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-7
第1章绪论  7-19
  1．1 航海模拟器及其作用  7
  1．2 航海模拟器的发展历程  7-9
  1．3 国内外研究现状  9-15
  1．4 STCW78／95公约对航海模拟器视景的要求  15-17
  1．5 本课题的提出  17-19
第2章航海模拟器视景系统及其对拖轮显示模块的特殊要求  19-38
  2．1 航海模拟器对视景系统的基本要求  19-21
  2．2 “大型船舶操纵模拟器”视景图形系统的主要特点  21-22
  2．3 视景系统概况及拖轮显示模块的重要意义  22-23
    2．3．1 “大型船舶操纵模拟器”视景系统概况  22
    2．3．2 拖轮视景显示模块的重要意义  22-23
  2．4 船舶操纵中拖轮的应用  23-31
    2．4．1 港作拖轮的操纵性  23-24
    2．4．2 运用拖轮的方式与带缆  24-26
    2．4．3 本船航行中拖轮转头效果的极限航速  26-27
    2．4．4 所需拖轮的功率及数量  27-30
    2．4．5 使用拖轮的注意事项  30-31
  2．5 航海模拟器视景系统对拖轮显示模块的基本要求  31-36
    2．5．1 拖轮控制  31-32
    2．5．2 拖轮航行环境的特殊性  32-33
    2．5．3 拖轮作用位置选取及作用方式  33
    2．5．4 拖轮操纵导航  33-34
    2．5．5 拖轮操纵避碰  34
    2．5．6 拖轮操纵定位  34-35
    2．5．7 拖轮撤离操作  35-36
    2．5．8 系统中多艘拖轮同时作用  36
  2．6 小结  36-38
第3章路径规划算法原理  38-61
  3．1 空间碰撞检测问题研究综述  38-42
    3．1．1 静态干涉检测算法  39
    3．1．2 可碰撞问题  39
    3．1．3 碰撞规避问题  39-42
  3．2 路径描述的基本概念  42
  3．3 关节空间的运动规划  42-51
    3．3．1 运动规划的约束条件  43-45
    3．3．2 多项式函数规划  45-47
    3．3．3 具有抛物线段的线性函数规划  47-51
  3．4 C-空间（Configuration Space）的规划  51-54
  3．5 动态空间移动智能体无碰撞路径规划的主要方法  54-59
    3．5．1 势场（Potential Field）法  54-55
    3．5．2 栅格（Grids）法  55-58
    3．5．3 其他研究方法  58-59
  3．6 小结  59-61
第4章自主拖轮运动规划算法及实现  61-86
  4．1 拖轮活动的简单描述  61-62
  4．2 航海模拟器视景系统中拖轮显示模块的特殊性  62-63
  4．3 模块中拖轮运动规划方法的选取  63-64
  4．4 人工势场（虚力场）法综述  64-66
  4．5 基于局域网传输的虚力导航和运动路径规划算法  66-72
    4．5．1 拖轮势场（虚力场）的设计  66-69
    4．5．2 拖轮加速度场方向及控制加速度的确定  69
    4．5．3 拖轮参考船位与航向的获取  69-71
    4．5．4 拖轮视景帧船位与航向的计算  71
    4．5．5 规划路径性能分析  71-72
  4．6 信息传输  72-74
    4．6．1 航海模拟器通信系统的功能要求及设计方案  72-73
    4．6．2 障碍物位置及运动信息的获取  73-74
    4．6．3 至三维视景系统的信息输出  74
  4．7 导航规划算法实现中几个重要问题的阐述  74-79
    4．7．1 拖轮、本船及目标船几何模型的简化  74-75
    4．7．2 原始环境关系的变换  75-76
    4．7．3 势场虚力作用方向的确定  76-78
    4．7．4 拖轮与海岸、码头、岛屿等不规则物的避碰  78-79
  4．8 导航规划算法流程  79-81
  4．9 仿真与实现  81-86
    4．9．1 定义并初始化系统参量  81-82
    4．9．2 仿真结果  82-86
第5章结论  86-89
  5．1 本文的主要贡献  86-87
  5．2 下一步的工作  87-89
攻读学位期间公开发表的论文  89-90
致谢  90-91
参考文献  91-93

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