[發明專利]無人艇全局安全路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202010173316.6
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111412918B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 張安民;吳美儀;王晨旭;劉帥;張豪
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 李文洋

1.一種無人艇全局安全路徑規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、電子海圖數據預處理；根據輸入的無人艇航行的起點和終點位置坐標，選取預處理的矢量電子海圖；

步驟二、獲取無人艇水動力參數；通過水動力建模或者水池試驗獲取無人艇的關鍵水動力參數，建立水動力模型，分析計算在不同海況條件下無人艇航行過程的運動特征，確定無人艇在實際海洋環境中縱搖運動和垂蕩運動最大幅值估計值；

步驟三、計算柵格大小；綜合考慮水動力特性參數和電子海圖大小確定對電子海圖進行柵格化的分辨率；

步驟四、電子海圖水深數據處理；根據步驟一預處理所得到的海域水深數據、障礙物數據以及步驟三所的柵格大小，采用插值算法對水深進行插值，獲得柵格水深化水深分布；

步驟五、海流數據處理；根據步驟三所得柵格大小，對海流數據進行處理，每個柵格存儲海流大小和方向信息；

步驟六、獲得柵格環境圖；首先，計算最小安全水深，為充分保證無人艇的航行水深安全，考慮步驟二所得的無人艇在不規則波中航行的最大向下垂蕩幅值和最大俯仰角計算保證無人艇安全航行所需的最小水深，根據最小安全水深，同時考慮柵格中海流信息，與柵格附近障礙物信息確定障礙柵格，計算得到水深危險度柵格分布和水面障礙物危險度柵格分布；

步驟七、進行全局路徑搜索；構建啟發式估價函數，采用RA*算法，進行路徑規劃：

其中g(N_i)為第i個節點N_i到起始節點S的實際距離代價；h(N_i)為節點N_i到目標節點G的估計距離代價；為從起始節點到當前節點的水深危險度之和；α為控制水深風險影響的參數，根據路徑規劃目標偏好度設置；為起始節點到當前節點的水面障礙物危險度之和；β是控制水面障礙物風險影響的參數，根據路徑規劃目標偏好度設置；

水深危險度和水面障礙物危險度計算方式如下：

(1)根據下式計算最小安全水深，為充分保證無人艇的航行水深安全，考慮步驟二所得的無人艇在不規則波中航行的最大向下垂蕩幅值、最大俯仰角、平均吃水、電子海圖水深誤差計算保證無人艇安全航行所需的最小水深，

其中，z_max為無人艇以不同航速在不規則波中航行所產生向下的垂蕩運動的最大幅值；L為無人艇的艇長；θ_max為無人艇在不同工況的不規則波中航行所產生的俯仰運動的幅值最大值；為無人艇的平均吃水；e_enc為電子海圖的水深值誤差；

(2)計算柵格水深危險度分布，根據下式計算海水覆蓋區域內每個柵格水深危險度，同時將障礙物柵格的水深危險代價設為無窮大；

其中，D(N_i)為利用水深插值算法計算所得各網格的平均水深；

(3)計算水面障礙物危險度柵格分布；

d為節點N_i到障礙物節點O_j歐式距離，a為不同類型障礙物對應的危險系數，v_Ni為柵格N_i中海流的速度，c_Ni為方向系數，采用下式計算：

式中，φ_c∈[0,2π)為海流相對于真北的流向，φ_g∈[0,2π)為節點N_i與節點O_j連線相對于真北的方位角，可航行節點附近具有k個障礙物時，選取其中的最大值作為該節點的水面障礙物危險度，如下式所示，障礙物節點的水面障礙物危險度設置為無窮大，

r_S(N_i)＝max{r_S[N_i,1],r_S[N_i,2],...,r_S[N_i,k]}。

2.根據權利要求1所述的無人艇全局安全路徑規劃方法，其特征在于，所述步驟一，利用矢量電子海圖，提取路徑規劃所需的水深數據、海流數據和障礙物數據。

3.根據權利要求1所述的一種無人艇全局安全路徑規劃方法，其特征在于，所述步驟七，采用RA*算法搜索路徑，構建綜合考慮距離代價、水深危險度和水面障礙物危險度的代價函數，進行路徑規劃，具體步驟如下：

(1)設起始節點為S，目標節點為G，創建OPEN列表與CLOSE列表，同時初始化其為空表，將S點存入OPEN表中；

重復如下過程：

(2)搜索當前節點相鄰的8個節點，計算相鄰節點的航行代價函數f(N_i)，并將節點存入OPEN表中；

(3)建立從相鄰節點指向S點的指針；

(4)查找與當前節點相鄰的8個節點f(N_i)，忽略障礙物與CLOSE表中的

(5)選擇f(N_i)值最小的節點，作為當前節點從OPEN表中刪除，并添加到CLOSE表中；

(6)重復以上過程，直到目標節點G添加至CLOSE表中，從點G開始根據指針方向移動至S，得到最優路徑。