[發(fā)明專利]一種基于遺傳與滑動窗口法的水上無人艇避碰方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910185329.2
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN110032184A
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林孝工;劉志宇;劉向波;王汝珣;郭如鑫;楊榮浩;劉葉葉
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于遺傳與滑動窗口法的水上無人艇避碰方法，其特征在于，包括：

步驟一：水上無人艇進(jìn)行全局動態(tài)路徑規(guī)劃：進(jìn)入水域后按照事先規(guī)劃的路徑前行，若周圍環(huán)境一切正常，不存在突發(fā)動態(tài)障礙物或事先未考慮阻礙物，則水上無人艇按照原來路徑繼續(xù)航行并不斷地探測周圍信息，直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；若水上無人艇在水域航行的過程中檢測到動態(tài)障礙物，則通過有關(guān)信息來對其運(yùn)動動態(tài)進(jìn)行預(yù)測，然后規(guī)劃新路徑避開障礙物，最終到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；

步驟二：水上無人艇對動態(tài)障礙物進(jìn)行分析：若水上無人艇在水域航行的過程中檢測到動態(tài)障礙物，通過動態(tài)窗口模塊以及檢測設(shè)備航海雷達(dá)和AIS判斷之后行程中水上無人艇和動態(tài)障礙物的運(yùn)動情況，得到針對不同情況的解決方法：

(a)若動態(tài)障礙物運(yùn)行方向與水上無人艇航行相反或是偏離水上無人艇航線，則不可能發(fā)生碰撞事故，水上無人艇可按照原來的運(yùn)動狀態(tài)繼續(xù)前行，進(jìn)入步驟四；

(b)若水上無人艇在下個T₀時(shí)間段水上無人艇會進(jìn)入動態(tài)障礙物的碰撞危險(xiǎn)區(qū)，則水上無人艇應(yīng)立即進(jìn)行動態(tài)障礙物的規(guī)避，進(jìn)入步驟三；

(c)若水上無人艇與動態(tài)障礙物之間的情況是準(zhǔn)危險(xiǎn)情況，則水上無人艇在該時(shí)間段內(nèi)發(fā)起對動態(tài)障礙物的規(guī)避行動，進(jìn)入步驟三；

(d)若水上無人艇與動態(tài)障礙物之間的情況是存在潛在危險(xiǎn)情況，進(jìn)入步驟四；

步驟三：水上無人艇進(jìn)行滑動窗口算法避障：根據(jù)獲取的動態(tài)障礙物的運(yùn)動信息進(jìn)行分析，通過遺傳算法和滑動窗口算法計(jì)算，得到動態(tài)障礙物規(guī)避策略，進(jìn)而調(diào)整水上無人艇自身運(yùn)動姿態(tài)，對動態(tài)障礙物進(jìn)行規(guī)避；

步驟四：水上無人艇繼續(xù)行駛重復(fù)以上步驟：水上無人艇按照任務(wù)需要向目標(biāo)點(diǎn)前行，同時(shí)重新進(jìn)入步驟一。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳與滑動窗口法的水上無人艇避碰方法，其特征在于，所述步驟一，包括：

水上無人艇進(jìn)行全局動態(tài)路徑規(guī)劃：進(jìn)入水域后按照事先規(guī)劃的路徑前行，若周圍環(huán)境一切正常，不存在突發(fā)動態(tài)障礙物或事先未考慮阻礙物，則水上無人艇按照原來路徑繼續(xù)航行并不斷地探測周圍信息，直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；若水上無人艇在水域航行的過程中檢測到動態(tài)障礙物，則通過有關(guān)信息來對其運(yùn)動動態(tài)進(jìn)行預(yù)測，然后規(guī)劃新路徑避開障礙物，最終到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；

其中，所述進(jìn)行全局動態(tài)路徑規(guī)劃的具體方法為：

根據(jù)GA算法通過適應(yīng)度函數(shù)在自身的編碼空間中對不同的路徑解進(jìn)行評價(jià)，仿照生物界種群遺傳過程中交叉變異過程，通過多個不同路徑解進(jìn)行迭代更新，得到最優(yōu)路徑；在水上無人艇的初始化種群里每一個染色體i(i＝1,2,3...n)將代表水上無人艇的一條的路徑，如下所示：

(x_i1,y_i1)→(x_i2,y_i2)→…(x_ili,y_ili)

其中，(x_i1,y_i1)和(x_ili,y_ili)表示水上無人艇第i(i＝1,2,3...n)條路徑上的起點(diǎn)和終點(diǎn)，(x_ij,y_ij)(j＝2,...,l_i)則為路徑上的除了兩端點(diǎn)以外的某一個點(diǎn)的坐標(biāo)，其長度為可變的l_i，采用遺傳算法的編碼方式遍歷整個解的空間，將每條路徑分為多段，分別對該路徑不同段進(jìn)行計(jì)算，得出路徑相關(guān)信息，用delta表示任意條路徑的劃分段長度值，k_δ表示正的比例參數(shù)值，通過下式，得到該條路徑被劃分出的段的總數(shù)d_num：

上式中，(x_max,y_max)和(x_min,y_min)為仿真窗口的坐標(biāo)范圍，s(x_s,y_s)和e(x_e,y_e)為水上無人艇的初始位置和目標(biāo)點(diǎn)；

假設(shè)最初的原始路徑總共有n條，將第i條路徑表示為P_i,設(shè)把路徑P_i劃分成3段，即d_num＝3，然后在第j(j＝1,2,3)段上隨機(jī)任取兩個點(diǎn)p_i(2j-1)和p_i(2j-1)，則在這兩個點(diǎn)的范圍內(nèi)任意生成點(diǎn)此點(diǎn)橫坐標(biāo)被局限在范圍內(nèi)，而縱坐標(biāo)局限于路徑初始位置s(x_s,y_s)和目標(biāo)點(diǎn)e(x_e,y_e)之間，即然后按序?qū)_i(2j-1),p_i(2j)相連，最終生成路徑P_i：

P_i表示種群中第i(i＝1,2,3...n)個可行的運(yùn)動路徑，然后通過路徑自身的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來對該條路徑進(jìn)行相應(yīng)的編碼；

水上無人艇的可行路徑集為其中第i條路徑表示為P_i＝[p_i1,p_i2,…p_ili](i＝1,2,3…,n)，p_ij(i＝1,2,…,l_i)為該路徑所經(jīng)過的路徑點(diǎn)，p_i1為路徑的初始點(diǎn),p_ili為路徑的終點(diǎn)：

Value(P^*)＝min[f₁(P),f₂(P),f₃(P),f₄(P)]

上式中，f₁(P)為規(guī)劃路徑的安全性，f₂(P)為規(guī)劃路徑的可行性，f₃(P)為規(guī)劃路徑的平滑性，f₄(P)為規(guī)劃路徑的經(jīng)濟(jì)性；

路徑的長度：

水上無人艇的第i條染色體的路徑長度：

上式中，m_i是P_i路徑里不可行的路徑數(shù)目，C₁為一合適的正數(shù)；

路徑的光滑性：

當(dāng)l_i>2時(shí)，即染色體的路徑劃分基因位點(diǎn)的個數(shù)大于2，水上無人艇的P_i路徑平均拐角值：

上式中，a_ij(j＝2,…,l_i-1)為p_i(j-1)p_ij與p_ijp_i(j+1)間的夾角(0≤a_ij≤π),m_i和k_i是a_ij里不小于π/2的數(shù)目，即如果某一個拐角不小于π/2時(shí)，則要對目標(biāo)值進(jìn)行懲罰計(jì)算，C₂是一合適的正數(shù)；

當(dāng)l_i＝2時(shí)，路徑P_i為初始點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的連線：

Turning(P_i)＝m_i×C₂

安全性：

如果路徑P_i是可行的，danger(d_i)＝1/d_i，其中d_i＞0表示水上無人艇的航行路線距離靜態(tài)障礙物的最小值；如果路徑P_i是不可行的，danger(P_i)＝m_i×C₃，m_i為該路徑個體的路徑段與障礙物之間的距離小于安全距離的數(shù)量，C₃為一適當(dāng)?shù)恼龜?shù)；

根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的值，通過＂輪盤賭＂方法選出下一代的染色體進(jìn)行交叉、變異、修復(fù)的遺傳操作優(yōu)化種群，得到能夠規(guī)避靜態(tài)障礙物的可行路徑。