[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

本發明涉及無人艇路徑規劃技術領域，尤其涉及一種無人艇全局安全路徑規劃方法，包括以下步驟：步驟一、電子海圖數據預處理；步驟二、獲取無人艇水動力參數；步驟三、計算柵格大小；步驟四、電子海圖水深數據處理；步驟五、海流數據處理；步驟六、獲得柵格環境圖；步驟七、進行全局路徑搜索。使用本方法可以有效解決觸碰水下(面)障礙物的情況問題，有效提高無人艇全局路徑規劃的安全性與實用性。

技術領域

本發明涉及無人艇路徑規劃技術領域，尤其涉及一種無人艇全局安全路徑規劃方法。

背景技術

水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)是一種具有自主決策規劃和自主導航能力的智能化水面平臺，通過搭載不同的系統設備完成各種任務，可大幅提高海上工作效率。水面無人艇在現代海洋應用中發揮著越來越重要的作用，可用于軍事和民用等諸多領域，在環境監測、海洋調查、軍事行動等任務中具有極其廣泛的應用前景。

路徑規劃是導航與運動控制的基礎，實現水面無人艇的智能規劃與控制可以大大提高無人艇的工作效率。當前無人艇路徑規劃的相關研究主要集中于規劃出規避水面障礙物的路徑，少有工作對于無人艇航線水深危險程度進行評價。若不考慮海況因素，采用傳統的路徑規劃方法進行求解，會造成水深危險度較高時，出現觸碰水下障礙物的情況，由海流等因素造成水面障礙物危險度較高時，出現與水面障礙物發生碰撞的情況。

發明內容

本發明的目的在于克服上述技術的不足，而提供一種無人艇全局安全路徑規劃方法。

本發明為實現上述目的，采用以下技術方案：一種無人艇全局安全路徑規劃方法，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；

優選地，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。

優選地，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：