一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法，包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。本发明专利技术建立了无人艇轨迹单元模型，使得规划的路径在实际航行过程中更贴近实际的航行要求，并能自主避障。

【技术实现步骤摘要】
一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法
本专利技术涉及海事智能交通技术，尤其涉及一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法。
技术介绍
人工智能的发展与海洋资源的开发使得水面无人艇(USV)越来越多地承担起各种水上任务。而作为无人艇自主性的重要一部分，路径规划是能否完成各项水上任务的前提。但是由于无人艇可控程度较低、自由度较高，所以当其作为研究对象时，应从质点转变为欠驱动刚体来进行研究。相应地，其路径规划问题也应从路线规划转变为运动规划。与前者不同的是，运动规划不仅考虑了规划空间的约束，同时还对规划行为进行了详尽地讨论。而规划行为与研究对象的运动和动力学约束有关。因此为了充分考虑无人艇的运动和动力学约束，本文提出了基于“轨迹单元”的无人艇运动规划方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法，包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；所述轨迹单元的生成方式如下：3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；规则三：轨迹段所能达到的路径点和所能改变的艏向一一映射；规则四：所有轨迹段的轮廓形状为方格或基于方格，以适应栅格地图；3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，并建立轨迹单元集；4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。按上述方案，所述步骤3)种求取可达路径点，搜索方法如下：根据无人艇所处的实时路径点和艏向角，以及无人艇运动的轨迹单元，利用轨迹单元的几何特征，获得从实时路径点所能到达的路径点和相应的船艏向；根据所能到达的路径点，搜索可达的内层路径点；所述内层路径点为以所处的实时路径点为中心的8个临近点；判断是否有路径点关联，若有则搜索可达的外层路径点；所述外层路径点为以所处的实时路径点为中心的内层路径点的外层关联点。按上述方案，所述步骤3)中若求取的可达路径点中存在危险点，则舍去危险点后，再进行搜索；所述危险点为由障碍物所处的两个路径点之间的邻近点。即危险点与障碍物所处的路径点集合中的两个路径点均为相邻点，且在这两个路径点之间。按上述方案，所述步骤3)中若求取的可达路径点中，如果当前路径点正前方的路径点被障碍物占据而不可达时，若无人艇的艏向改变为45°，则舍去该路径点。按上述方案，所述步骤4)中的代价计算通过代价函数f(x)表示，具体如下：f(x)＝g(x)+h(x)其中，g(x)表示初始点到当前点的实际代价函数，是研究对象实际走过路径的代价值；h(x)为当前点到终点的启发式代价函数，是对剩下还未走路径的估计值；其中实际代价函数g(x)由距离代价函数d(x)和转舵代价函数s(x)构成，启发式代价函数h(x)由曼哈顿距离表示。本专利技术产生的有益效果是：1.本专利技术通过建立一种无人艇运动规划的轨迹单元模型，进而有效解决无人艇运动规划的两大关键问题，分别是无人艇动力学约束表达问题和无人艇动力学约束与空间搜索的结合问题。模型利用无人艇的运动轨迹来解决无人艇动力学约束表达问题。无人艇的运动轨迹不仅能够完整地表达其动力学约束，而且各约束间的联系也被包含在轨迹曲线中；考虑到空间搜索是空间离散化的过程，模型根据无人艇的轨迹特点以及运动规划的搜索需求，提出了四条轨迹离散化规则。规则不仅将连续的轨迹离散为轨迹段，使每一步子空间搜索都包含了无人艇动力学约束；并且还使得这些轨迹段被拼接后仍然保持最终轨迹的连续性，从而解决了动力学约束与空间搜索的结合问题。2、本专利技术建立了无人艇轨迹单元模型，并且提出了基于轨迹单元的无人艇运动规划算法，使得规划的路径在实际航行过程中更贴近实际的航行要求。3、本专利技术通过路径关联点和危险点判断，减少了路径规划的检索时间，并能自主避障。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图；图2是本专利技术实施例的作用于船体的流体动力示意图；图3是本专利技术实施例的无人艇左右旋回圈分析示意图；图4是本专利技术实施例的拼接后的连续轨迹段示意图；图5是本专利技术实施例的转舵次数不超过一次示意图；图6是本专利技术实施例的路径点与艏向的对应示意图；图7是本专利技术实施例的轨迹的轮廓形状基于网格示意图；图8是本专利技术实施例的轨迹单元生成示意图；图9是本专利技术实施例的栅格地图周围网格的遍历示意图；图10是本专利技术实施例的无人艇艏向的类型示意图；图11是本专利技术实施例的路径点和可能的艏向示意图；图12是本专利技术实施例的初始艏向为0°时，轨迹单元的生成过程示意图；图13是本专利技术实施例的路径点和可能的艏向示意图；图14是本专利技术实施例的轨迹单元的生成过程示意图；图15是本专利技术实施例的空间全覆盖性验证示意图；图16是本专利技术实施例的轨迹单元抽象化示意图；图17是本专利技术实施例的所有轨迹单元抽象化示意图；图18是本专利技术实施例的轨迹段曲线及距离计算示意图；图19是本专利技术实施例的轨迹段的标准化示意图；图20是本专利技术实施例的轨迹段的标准化示意图；图21是本专利技术实施例的内层路径点与外层路径点的点关联示意图；图22是本专利技术实施例的螺旋式搜索示意图；图23是本专利技术实施例的障碍物环境中危险点示意图；图24是本专利技术实施例的障碍物环境下无人艇路线规划与运动规划对比示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法，包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；所述轨迹单元的生成方式如下：3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；如图2所示为作用于船体的流体动力(力矩)示意图，船舶运动建模的方法可分为两大流派：一派是以欧美为代表的整体型模型结构，其主要思想是将船体、螺旋桨和舵视为不可分割的整体；另一派是以日本为代表的分离型模型结构，通常称为MMG(ManeuveringMathematicalGroup)模型。MMG模型的主要思想是将水动力(力矩)分解为作用在船、桨、舵上的分力(力矩)。其中船体受到的力(力矩)又可分为粘性作用力(力矩)和惯性作用力(力矩)。因此MMG模型是由粘性模型、惯性模型、螺旋桨模型和舵模型所组成的。由于该模型的适应场景较广、灵活可变、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；所述轨迹单元的生成方式如下：3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；规则三：轨迹段所能达到的路径点和所能改变的艏向一一映射；规则四：所有轨迹段的轮廓形状为方格或基于方格，以适应栅格地图；3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，并建立轨迹单元集；4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。

【技术特征摘要】
1.一种基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；所述轨迹单元的生成方式如下：3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；规则三：轨迹段所能达到的路径点和所能改变的艏向一一映射；规则四：所有轨迹段的轮廓形状为方格或基于方格，以适应栅格地图；3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，并建立轨迹单元集；4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。2.根据权利要求1所述的基于轨迹单元的障碍物情况下无人艇避碰路径规划方法，其特征在于，所述步骤3)种求取可达路径点，搜索方法如下：根据无人艇所处的实时路径点和艏向角，以及无人艇运动的轨迹单元，利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：周春辉，顾尚定，杜哲，肖长诗，文元桥，黄亮，张帆，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42