基于PID引导波搜索算法的无人水下航行器路径规划方法及其在时变洋流环境中的实验验证

本文提出一种比例-积分-微分（PID）引导波搜索算法（PGWSA），用于解决时变洋流环境下无人水下航行器（UUV）的路径规划问题。该方法融合波搜索算法（WSA）的全局探索能力与PID搜索算法（PSA）的局部开发性能，结合B样条曲线生成平滑路径，在仿真与实地试验中均表现出优越的收敛速度和路径质量，为UUV在复杂海洋环境中的自主导航提供了高效可靠的解决方案。

　　

Highlight

■ 针对时变洋流环境中的UUV路径规划问题，建立了包含路径安全性与速度可行性约束的三维B样条曲线优化模型，确保路径平滑性。

■ 提出PID引导波搜索算法（PGWSA），通过计算高效的进化操作实现强鲁棒优化能力，可实时生成安全、经济且平滑的路径。

■ PGWSA在波搜索过程中引入PID引导算子，显著增强全局探索能力的同时保持局部搜索性能，对比仿真验证了其优于主流算法的性能与更快的收敛速度。

■ 通过仿真实验与实地测试，验证了PGWSA解决UUV路径规划问题的可行性、有效性与优越性。

Conclusion

本文提出了一种PID引导波搜索算法（PGWSA），用于解决时变洋流环境中的UUV路径规划问题，并通过仿真实验和实地测试验证了其可行性、有效性和优越性。首先建立了包含洋流和海底地形的海洋环境模型，进而推导出UUV路径规划的约束优化模型。为高效规划路径，提出了一种新颖的元启发式算法PGWSA，该算法通过PID引导算子增强波搜索过程的全局探索能力。仿真结果表明，PGWSA在路径质量、收敛速度和稳定性方面均优于对比算法。实地试验进一步证实了PGWSA在真实海洋环境中的工程适用性。未来工作将聚焦于多UUV协同路径规划与动态障碍物避障策略的研究。