一种水面无人艇路径规划方法技术

本发明专利技术提供一种水面无人艇路径规划方法，是一种基于动态窗口法与优化LPA*算法，在存在移动障碍物环境下的无人艇路径规划方法。通过航空器航摄影像得到水面环境的全局遥感图像，对航摄图像进行分类与二值化处理，将图像转为栅格地图，基于环境全局栅格地图，利用优化距离启发函数的LPA*算法进行全局路径规划，得到初始路径，并对路径进行插值平滑处理；基于动态窗口法，构造路径全局最优的评价函数，进行局部路径动态规划，达到全局最优路径前提下的局部动态规划能力。仿真结果显示，该方法可得到比传统启发式A*算法更优的平滑路径，在移动障碍环境中也可实现良好避障性能；而且与LPA*全局规划算法的结构相融合，克服了动态窗口法易陷入局部最优的缺陷。易陷入局部最优的缺陷。易陷入局部最优的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种水面无人艇路径规划方法


[0001]本专利技术应用领域主要为多礁分布类型的水上自主巡航与船舶密集航行的水面路径规划和避障领域，是一种基于全局栅格地图的，能实现局部实时避障的路径规划方法。

技术介绍

[0002]单体水面无人艇自主航行与避障一直是无人船领域的热门研究课题之一。如何在布满礁石或其他障碍物，以及船舶密集航行的水面上进行安全高效的自主航行是目前正在发展的自主船技术研究内容中较为重要的一个研究方向。现今无人系统的智能化程度越来越高，对于复杂环境自主航行的适应能力的要求也随之增强，在动态环境里航行，如何规划最优路径对无人船的航行效率和安全性也是很大的考验。因此，需要设计一种在复杂障碍物环境下可以快速进行动态路径规划，控制成本的同时保证无人船安全和高校行驶的路径规划方法。
[0003]路径规划方法发展到目前，已经有许多传统自主智能规划算法来解决无人艇的路径规划问题，比如基于采样的Voronoi图方法、快速搜索随机树方法；基于节点的Dijkstra、A*算法、D*算法；基于模型的人工势场法、动态窗口法；基于生物启发式的神经网络、遗传算法、蜂群算法；基于A*算法结合智能搜索方法改进的DynamicA*算法、以及LPA*算法、D*Lite算法等。
[0004]LPA*算法(Lifelong Planning A*algorithm)由Koenig和Likhachev于2004年提出，算法主要参考人工智能的增量搜索对传统A*算法进行改进。以用来处理动态环境下从给定起始点到给定目标点的最短路径问题。/>[0005]LPA*算法已经广泛应用于无人器自主路径规划，但由于路径曲率的连续问题，导致在转向处的运动变量不利于控制；而且全局规划的方法不具备动态避障能力。基于粒子群优化算法的A*算法增强了局部避障能力，但计算复杂度较大，且无法保证规划路径的曲率连续变化。
[0006]动态窗口法通过在线实时规划路径，具有良好的避障能力，适用于动态环境中的无人设备自主导航。结合全局规划的LPA*算法，可以把全局规划和局部动态规划良好的融合起来，增强无人器的整体寻优规划能力，节省成本，同时也可实现动态局部避障。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了提供一种水面无人艇路径规划方法，针对原始LPA*算法的局部规划与动态避障能力不足的问题，优化了LPA*算法的起始点代价函数与启发函数，在保证原始算法规划效果的同时增强了算法的路径全局寻优能力，降低复杂度，节省了路径寻优的成本，同时进行路径2次插值平滑，得到最优路径以完善全局与局部动态规划的融合算法，能够有效解决局部动态环境下无人艇的路径规划问题。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的：步骤1：通过航空器航摄影像得到水面环境的全局遥感图像，从而对航摄图像进行分类与二值化处理，将图像转为二维栅格地图。
[0009]101：获取航摄影像，对其进行图像切割与二值化处理；
[0010]102：对处理后的二值图像进行分类处理，得到二维栅格矩阵D
n
×
n
，并根据矩阵元素进行二维栅格地图的绘制：
[0011]步骤2：基于水面环境全局栅格地图，标定无人艇航行的出发点和到达点，利用优化距离启发函数的LPA*算法进行全局路径规划，得到初始的无人艇航行全局路径。
[0012]201：在航摄图像二值分割处理后得到的全局栅格地图上标定无人艇航行的出发点和到达点，初始化两个节点遍历储存数组A star D1和A star D2；其中D1为已遍历节点，D2为未遍历节点；
[0013]202：以栅格地图的出发点节点为中心，初始化起点的rhs(n)＝s(n)＝0，其他未遍历节点的rhs(n)＝s(n)＝∞,开始向8邻域栅格进行启发式遍历搜索，基于原始LPA*算法设计新的代价函数，比较相邻节点的代价函数F(n)，选取F(n)值最小的点作为下一扩展节点succ(n)。
[0014]基于LPA*算法设计的代价函数为
[0015]F(n)＝s(n)+h(n)+G,s(n)＝min(s
t
(n),rhs(n))
[0016][0017]其中s(n)为起始点代价函数，表示起始点S到当前遍历节点N的路径代价，μ为对角线参数；rhs(n)为LPA*算法中的邻接系数，对于S的所有邻接节点，其到S的距离加上邻接节点自身的St值的最小值作为rhs值。
[0018]c(n',n)为两节点之间的代价函数；h(n)为启发函数，为当前节点N到目标点T的代价估计函数。基于传统LPA*算法的启发函数h(n)，本专利技术设计了一种新的启发函数h
a
(n)，计算公式如下：
[0019][0020]其中T为到达点，N为当前节点，S为初始节点。下标为节点各自在栅格地图内的横纵坐标。G为环境变量；继续遍历节点时，比较节点之间代价函数c(n',n)与起始点代价函数s(n')的值，根据代价函数的大小选取节点作为下一遍历节点。
[0021]203：遍历到下一节点，将其作为当前节点，并继续根据代价函数选取遍历相邻节点，计算全部下一节点的代价值F(n)，并选取代价函数值最小的节点作为后继节点；
[0022]204：对代价函数F(n)＝s(n)+h(n)+G中的起始点代价函数s(n)值与启发函数h(n)进行更新，重新回到步骤202进行迭代，使得无人艇路径迭代向后继节点移动，直到无人艇当前节点迭代到预定终止点T为止。
[0023]205：节点迭代更新的同时，LPA*算法内对计算得的最优栅格地图路径进行2次插值平滑处理，以简化无人艇路径减少损失。
[0024]删除路径冗余节点，消除不必要折线优化路径成本：
[0025]206
‑
210：利用进行平滑处理前得到的最优路径，对其中的各个节点按路径延伸方
向进行排列，并标为(a1,a2....a
n
),a
n
＝T；
[0026]设k初始值＝0，依次连接a
k
,a
k+1
,k∈N
+
；判断连线是否穿过障碍物，从而确保平滑处理后的无人艇移动的最终路线能够合理在固定栅格地图中避障；初始化k，依次连接a
k
,a
j
,k,j∈N
+
,j＞k；，继续对路径节点进行依次相同操作，当节点k和节点j之间的路径穿过障碍物时停止；
[0027]根据停止之前的状态，将上述点k和点j作为端点，连接两点并替换掉点k到点j的初始路径，再令k＝k+1,依次连接a
k
,a
j
,k,j∈N
+
,j＞k；，重复上述操作直到k+1＝T，即得到完整光滑路径。
[0028]步骤3：基于LPA*算法的固定路径与动态窗口法，在存在移动障碍物的情况下进行局部再规划避障。
[0029]301：基于上述已经规划好的无人艇航行路径，利用动态窗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水面无人艇路径规划方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：通过航空器航摄影像得到水面环境的全局遥感图像，从而对航摄图像进行分类与二值化处理，将图像转为二维栅格地图；步骤2：基于水面环境全局栅格地图，标定无人艇航行的出发点和到达点，利用优化距离启发函数的LPA*算法进行全局路径规划，得到初始的无人艇航行全局路径；步骤3：基于LPA*算法的固定路径与动态窗口法，在存在移动障碍物的情况下进行局部再规划避障。2.根据权利要求1所述的一种水面无人艇路径规划方法，其特征在于，步骤1具体包括：101：获取航摄影像，对其进行图像切割与二值化处理；102：对处理后的二值图像进行分类处理，得到二维栅格矩阵D
n
×
n
，并根据矩阵元素进行二维栅格地图的绘制：3.根据权利要求1所述的一种水面无人艇路径规划方法，其特征在于，步骤2具体包括：201：在航摄图像二值分割处理后得到的全局栅格地图上标定无人艇航行的出发点和到达点，初始化两个节点遍历储存数组A star D1和A star D2；其中D1为已遍历节点，D2为未遍历节点；202：以栅格地图的出发点节点为中心，初始化起点的rhs(n)＝s(n)＝0，其他未遍历节点的rhs(n)＝s(n)＝∞，开始向8邻域栅格进行启发式遍历搜索；比较相邻节点的代价函数F(n)，选取F(n)值最小的点作为下一扩展节点，基于LPA*算法设计的代价函数为；F(n)＝s(n)+h(n)+G其中：s(n)为起始点代价函数，表示起始点S到当前遍历节点N的路径代价，μ为对角线参数；rhs(n)LPA*算法中的邻接系数，对于S的所有邻接节点，其到S的距离加上邻接节点自身的St值的最小值作为rhs值；c(n',n)为两节点之间的代价函数；h(n)为启发函数，为当前节点N到目标点T的代价估计函数，G为环境变量；继续遍历节点时，根据代价函数选取节点作为下一遍历节点；203：遍历到下一节点，将其作为当前节点并继续根据代价函数选取遍历相邻节点，计算全部下一节点的代价值F(n)，并选取代价最小的节点作为后继节点；204：对代价函数F(n)＝s(n)+h(n)+G中的起始点代价函数s(n)值与启发函数h(n)进行更新，重新回到步骤202进行迭代，使得无人艇路径迭代向后继节点移动，直到无人艇当前节点迭代到预定终止点T为止；205：节点迭代更新的同时，LPA*算法内对计算得的最优栅格地图路径进行2次插值平滑处理，以简化无人艇路径减少损失；206：删除路径冗余节点，消除不必要折线优化路径成本：
利用进行平滑处理前得到的最优路径，对其中的各个节点按路径延伸方向进行排列，并标为(a1,a2....a
n
),a
n
＝T；207：设k初始值＝0，依次连接a
k
,a
k+1
,k∈N
+
；判断连线是否穿过障碍物，从而确保平滑处理后的无人艇移动的最终路线能够合理在固定栅格地图中避障；208：初始化k，依次连接a
k
,a
j
,k,j∈N
+
,j＞k；，继续对路径节点进行依次相同操作，当节点k和节点j之间的路径穿过障碍物时停止；209：根据停止之前的状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兰勇，王天靖，阳定康，常佳程，谭逸凡，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：