[發(fā)明專利]一種基于遺傳算法的開敞水域帆船路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710619152.3
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107525509B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜勝;劉軼華;陳茜;閆化然;朱小林
• 申請（專利權(quán)）人: 上海海事大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G06N3/12
• 代理公司: 上海三和萬國知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31230
• 代理人: 陳偉勇

本發(fā)明涉及現(xiàn)代三角帆船智能控制領(lǐng)域，提出了一種新的在開敞水域使用遺傳算法的帆船路徑規(guī)劃方法，來實現(xiàn)帆船路徑的自動規(guī)劃，最終生成帆船路徑轉(zhuǎn)向點列表。通過使用電子海圖作為基底圖，根據(jù)坐標轉(zhuǎn)化公式將地理坐標轉(zhuǎn)化為平面坐標簡化計算過程；通過插值法計算出整個風場的風矢量數(shù)據(jù)，并可視化為風場圖像；采用帆船航速表作為帆船航行速度的計算依據(jù)，并將船風考慮進來計算出更加準確的帆船迎風角度和視風風速；對隨機生成的轉(zhuǎn)向點進行排序提高初始種群有效性；并采用積分的方法計算帆船航行在每一段航線上的時間；最后對遺傳算法的編碼、選擇、雜交、變異過程進行修改，以適應本發(fā)明所要解決的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及現(xiàn)代三角帆船智能控制領(lǐng)域，尤其涉及在開敞水域使用遺傳算法的帆船路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

帆船作為綠色、時尚的紳士運動，受到了越來越多人的喜愛。通常情況下，船員根據(jù)接收到的海上氣象信息規(guī)劃帆船的航行路徑。但海面的風場是變化且不均勻的，僅憑經(jīng)驗無法獲得最優(yōu)的路徑，而且長距離的帆船路徑是無法僅通過一次規(guī)劃就可以完成的。要實現(xiàn)帆船的自動駕駛，路徑自動規(guī)劃是非常關(guān)鍵的一步的。由于帆船的動力來源于風，且有約90°的無法航行區(qū)間，所以帆船的航線規(guī)劃就變得復雜，需要多段的動態(tài)規(guī)劃才能保持帆船始終處于最佳的航線上。

以往關(guān)于帆船路徑規(guī)劃的研究主要解決帆船競賽繞標航行時的情況，通過分區(qū)段、模糊綜合的方法。如邢惠麗、葛艷等人發(fā)表的相關(guān)論文，“帆船繞標航行最優(yōu)行駛路徑規(guī)劃方法”、“基于分區(qū)段優(yōu)化方法的帆船繞標航行路徑動態(tài)仿真”、“基于模糊綜合評價的帆船行駛最優(yōu)路徑規(guī)劃方法”，這些方案的不足有：一是只解決近距離帆船競賽時的路徑規(guī)劃，但是對于在開敞水域的帆船長航線規(guī)劃并不是很適用，二是沒有考慮帆船在航行時會有船風，船風的存在會使帆船的迎風大小和角度發(fā)生變化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明使用基于遺傳算法的帆船路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)帆船路徑的自動規(guī)劃，最終生成帆船路徑轉(zhuǎn)向點列表。本發(fā)明的技術(shù)方案通過以下幾個方面予以闡述：

一、為使本發(fā)明的方法和裝置更容易理解，相關(guān)的概念及定義如下：

1.風矢量，指既有方向又有大小的風數(shù)據(jù)。

2.風場，指一定范圍內(nèi)存在局部風速、風向不均勻分布的海面空間，并能夠獲取到詳細的風矢量數(shù)據(jù)。

3.路徑規(guī)劃，即為航線規(guī)劃，在本文中是相同的意思。

4.氣象站，本發(fā)明涉及到的區(qū)域為海面，氣象站是指船舶站、海洋氣象浮標等采集氣象數(shù)據(jù)的裝置，本文中將采集氣象數(shù)據(jù)的裝置統(tǒng)一用“氣象站”代替。

5.關(guān)鍵位置點，指氣象站、起點、終點的位置。

二、一種基于遺傳算法的開敞水域帆船路徑規(guī)劃方法的主要步驟如下：

步驟一.準備帆船航速表(表1)和帆船航速圖，每一節(jié)風對應一個帆船航速表格，帆船航速表中列有不同風舷角對應的最大航速，帆船航速圖是帆船航速表的圖示，不同風級的帆船航速表可以繪在一張帆船航速圖上。

表1帆船航速表(所有數(shù)據(jù)均能夠獲得到)