利用人工势场法实现无人艇二维路径规划

图 1 路径规划示意图 Fig. 1 Schematic diagram of path planning
2）现有斥力分析进行分析以无人艇与障碍物之间 的距离作为函数的变量，微小的距离改变即可引起梯 度剧烈变化，从而对实际的路径规划干扰较为严重， 需要采用坡度较为缓慢的斥力势场变换函数，在此采 用指数级势场变换函数：
引力的作用力势场梯度为：
1 Fg X = −grad kX − Xg 2 = kXg − X 。 2
LIU Xiang (Zhejiang Dongfang Vocational and Technical College, Wenzhou 325000, China) Abstract: As an important tool for ocean exploration and development, the efficiency and safety of path planning is the key to the unmanned ship’s mission. In the path planning, how to avoid moving and static obstacles in real time is the key problem of path planning. Unmanned ship path planning due to the limited computing power of potential field transformation by two yuan in the actual planning function, function of the system is constant, although the algorithm complexity is low, but the end result will tend to fall into the local optimal solution. In this paper, the traditional artificial potential field path planning algorithm is improved, and the exponential potential field is introduced to reduce the amplitude of the potential field. Key words: path planning；artificial potential field；local optimal solution
U = Ur + Ug ，
力大小为 Fg , Fr 。
(1)
其中 Ug , Ur 分别为对应的引力及斥力场，对应的作用
收稿日期 : 2017 – 03 – 07 作者简介 : 刘翔 (1983 – ) ，男，硕士，讲师，研究方向为数学建模及应用数学。
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舰 船 科 学 技 术
关键词： 路径规划 ；人工势场 ；局部最优解 中图分类号： V279 文献标识码： A 文章编号： 1672 – 7619(2017)A – 0073 – 03 doi： 10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.5A.025
Two dimensional path planning for unmanned aerial vehicles based on artificial potential field method
第 39 卷 第 5A 期 2017 年 5 月
舰 船 科 学 技 术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 39, No. 5A May , 2017
利用人工势场法实现无人艇二维路径规划
刘 翔
(浙江东方职业技术学院，浙江 温州 325000)
摘 要 : 无人艇作为海洋勘探及开发的重要工具，路径规划的效率及安全性是保障无人艇执行任务的关键。
在路径规划中，如何实时避开移动及静态障碍物是路径规划重点关注的问题。无人艇路径规划由于计算能力的限 制，势场变换采用二元函数，且在实际规划中函数系统为常量，算法复杂度较低，但最终结果往往会陷入局部最优 解。本文改进传统的人工势场路径规划算法，引入指数级势场变化函数，降低势场的变换幅度，提高路径规划的准 确性。
0 引 言
路径规划是保障现代航运业任务顺利执行的重要 前提。人工智能及信息化不断发展，基于无人艇的路 径规划是海上路径规划领域发展方向，其对路径规划 问题利用二元数学模型进行表述，并通过算法求解最 优解。 传统基于人工势力场二元数学模型梯度变换较 快，在实际的无人艇路径规划场景中较易陷入局部最 优解的缺陷 [1]，需要进行改进。 本文对传统势力场梯度函数增加了指数级因子， 使梯度变换更加平缓，有效解决局部最优解缺陷，最 后进行仿真。
1 传统人工势场路径规划原理
基于人工势场的无人艇路径规划是一种局部最优 求解问题，对无人艇路径的航行环境利用重力场（包 括引力及斥力 2 个部分）进行描述，引力场描述了无 人艇的正向推动力；斥力场则描述了在航行过程中受 到的各种阻力 [2]，无人艇的综合作用力是两者叠加： 传统基于人工势场的无人艇路径规划如图 1 所示。 无人艇在未知环境下航行受到的引力及斥力叠加为：
第 39 卷
距离越远则受到相应引力和斥力越大，反之越小。那 么有可能出现一种特例，障碍物离目标位置较近，且 在目标位置前方，当无人艇靠近目标物时，受到的斥 力大于引力，造成无人艇永远达不到目标位置，路径 规划失效 [4]。 需要对势场二次函数进行改进，使梯度变化较为 缓慢，同时降低路径规划复杂度，本文对此作了如下 改进： 1）传统人工势场算法是对无人艇的引力及斥力进 行分析，本文改为对势场强度进行分析。