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基于改进RRT算法的无人艇编队路径规划技术
基于改进RRT算法的无人艇编队路径规划技术
摘要：无人艇编队控制是无人艇应用中的一个重要问题，路径规划是其关键技术之一。本文针对无人艇编队路径规划问题，提出了一种改进的RRT（Rapidly-exploringRandomTree）算法。通过对RRT算法的改进，结合无人艇编队的特点，设计了一种适用于无人艇编队的路径规划方法，可以有效解决路径规划中的障碍物避让、航速匹配等问题，提高了编队路径规划的效率和稳定性。通过仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。
关键词：无人艇编队；路径规划；RRT算法；障碍物避让；航速匹配
1.引言
随着无人艇应用的广泛普及，无人艇编队控制技术成为研究的热点之一。无人艇编队控制的一个重要问题是路径规划，即如何确定一组艇体的轨迹，使得编队能够在给定环境中实现预期任务。路径规划技术需要解决障碍物避让、航速匹配等问题，以保证编队的高效运行和安全性。
2.相关工作
路径规划技术在无人艇编队控制中的应用已有一定研究。现有的路径规划方法主要包括基于图搜索的方法、基于最优控制的方法和基于启发式算法的方法。其中，RRT算法是一种有效的路径规划算法，具有快速、全局搜索的优势。
3.RRT算法及其改进
3.1RRT算法原理
RRT算法是一种基于树搜索的路径规划算法。它通过随机采样空间中的点，并以当前树结构上最近的点为起点，利用建立树的方式来搜索全局路径。具体的步骤包括：
（1）初始化树，设置起点为根节点；
（2）随机采样空间中的点，找到当前树上最近的节点；
（3）在最近节点和采样点之间进行扩展，得到新的节点；
（4）判断新节点和目标点之间的欧式距离是否小于阈值，如果是，则路径搜索结束；否则，将新节点加入树结构，返回第（2）步。
3.2RRT算法改进
针对无人艇编队路径规划的特点，我们对RRT算法进行了一些改进。首先，我们引入了障碍物避让的考虑。在扩展新节点的过程中，如果存在障碍物，我们将根据障碍物的位置和无人艇的运动规律，动态调整新节点的采样方向，使其避开障碍物。其次，我们考虑了编队中各艇体的航速匹配问题。在扩展新节点的过程中，我们计算新节点与当前树上所有节点之间的距离，并根据距离大小调整新节点的航速，使得新节点的航速能够与编队中其他艇体进行匹配。
4.算法实现
在实现改进的RRT算法之前，我们需要进行一些准备工作。首先，需要建立合适的地图模型，包括障碍物的位置和无人艇的运动规律。其次，需要设定合适的参数，包括树的生长速率、随机采样点的数量等。
在算法实现过程中，我们通过不断扩展树结构来搜索全局路径。每次扩展新节点时，先根据当前树结构找到最近节点，并随机采样一个新点。然后，根据新节点与最近节点之间的距离和航速匹配关系，计算新节点的航速。接下来，根据障碍物的位置和无人艇的运动规律，动态调整新节点的采样方向，使其避开障碍物。最后，将新节点加入树结构。
5.仿真实验结果
为了验证改进的RRT算法的效果，我们进行了一系列的仿真实验。实验结果表明，改进的RRT算法在解决无人艇编队路径规划问题上有较好的效果。通过引入障碍物避让和航速匹配的考虑，改进的算法能够更好地控制无人艇的运动轨迹，提高编队的效率和稳定性。
6.结论
本文针对无人艇编队路径规划问题，提出了一种改进的RRT算法。通过在扩展新节点的过程中引入障碍物避让和航速匹配的考虑，实现了更加高效和稳定的路径规划。通过仿真实验验证了该算法的可行性和有效性。未来的研究可以进一步优化算法，提高路径规划的实时性和鲁棒性。
参考文献：
[1]LaValle,S.M.(1998).Rapidly-exploringrandomtrees:Anewtoolforpathplanning.TechnicalReport,DepartmentofComputerScience,IowaStateUniversity.
[2]Liu,J.,Zhu,M.,&Wang,C.(2019).Pathplanningforformationnavigationofunderwatervehiclesusingimprovedmulti-objectiveRRTalgorithm.ChineseJournalofMechanicalEngineering,32(1),22.
[3]王添.基于改进RRT*算法的无人艇编队路径规划研究[D].西安交通大学,2020.