本发明专利技术公开了一种水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，能够解决水下航行器在通过狭窄水道作业时，存在路径规划效率不高的问题。首先选择水下航行器作业空间，建立海洋环境特征模型，获取最终的海洋环境模型；利用最终的海洋环境模型，对水下航行器通过狭窄水道区域进行界定，获取任务区域的栅格海图。基于上述任务区域的栅格地图，对碍航区的障碍物进行膨胀化处理、数据简化处理。基于处理后的狭窄水道的栅格地图采用八方向双向A*搜索获取全局路径。基于栅格地图、全局路径采用DWA算法进行实时动态避碰进行局部路径规划。基于DWA算法，采用APF算法进行辅助实时动态避碰进行局部路径规划。通过调节DWA算法中航向、安全系数获取两条实际航行路线。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋环境要素影响下的水下航行器路径规划领域，具体涉及一种水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法。
技术介绍
1、近年来，随着水下航行器技术的迅速发展，其在狭窄水道通行等任务中的应用逐渐增多，国际上习惯将宽度2海里左右以内的水道认为是狭窄水道。然而，传统的路径规划方法在面对复杂海洋环境时存在挑战，其中包括电子海图中障碍物的识别与处理、以及规划出的路径与水下航行器自身运动规律不匹配等问题。
2、为解决这些挑战，先进的水下航行器路径规划系统应运而生。该系统通过对电子海图中的障碍物进行精确建模，并结合高效的路径规划算法，能够确保水下航行器在狭窄水道内，根据具体情况合理规划航行路线，能够提升安全性、效率和合规性。
3、随着水下航行器的发展，先进的路径规划系统已广泛应用于军事侦察、海洋资源调查、环境监测等领域。特别是在勘探海洋资源等任务中，水下航行器需要能够自主复航并在巡航时顺利通过狭窄水道规避静态障碍物。传统的方法需要水面艇与水下航行器一同出海，当水下航行器执行完任务后，需要通过通讯设备规划出一条能够返回水面艇的较优路径。因此，精确的环境建模和高效的路径规划算法能够显著提高水下航行器在复杂海洋环境中的作业效率和安全性，并降低经济成本。
4、但是现今执行作业时仍存在问题，水下航行器在自主通过狭窄水道时，规划出的路线并不符合自身设备的运动学特性，存在与实际情况不符的问题。因此，进一步完善路径规划算法，确保规划出的路径与水下航行器的运动规律相匹配，成为当前技术发展的重要方向之一。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，能够解决水下航行器在通过狭窄水道作业时，存在路径规划效率不高的问题。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：包括：
3、步骤一、选择水下航行器作业空间，建立海洋环境特征模型，获取最终的海洋环境模型；利用所述最终的海洋环境模型，对水下航行器通过狭窄水道区域进行界定，获取任务区域的栅格海图。
4、步骤二、基于上述任务区域的栅格地图，对碍航区的障碍物进行膨胀化处理、数据简化处理。
5、步骤三、基于处理后的狭窄水道的栅格地图采用八方向双向a*搜索获取全局路径。
6、步骤四、基于栅格地图、全局路径采用dwa算法进行实时动态避碰进行局部路径规划。
7、步骤五、基于dwa算法，采用apf算法进行辅助实时动态避碰进行局部路径规划。
8、步骤六、通过调节dwa算法中航向、安全系数获取两条实际航行路线。
9、进一步地，本专利技术中，步骤一中，建立海洋环境特征模型的具体方法为：
10、步骤11、在s-57标准电子海图中根据给定通过狭窄水道作业的左上、右下经纬度坐标，提取待进行巡逻作业岛礁区域获取所述作业区海图，并将作业区域构建成笛卡尔直角坐标系；
11、步骤12、在所述待通行狭窄水道作业岛礁区域海图提取碍航区，采用墨卡托投影变换将碍航区投影到直角坐标系，得到通行狭窄水道作业区域的原始环境特征模型，其中包含了海图数据中陆地、岛礁、沉船事故点、灯塔等数据；
12、步骤13、将通行狭窄水道作业区域的原始环境特征模型中的碍航区转化为几何学上的凸包结构，对所述凸包结构进行膨化，获取无人艇与碍航区之间的安全距离，获取安全巡逻区，并将安全巡逻区转化为二值化栅格地图，得到作业区域转化后的环境特征模型；
13、进一步地，本专利技术中，步骤二中，对碍航区的障碍物进行膨胀化处理、数据简化处理的具体方法为：
14、由s-57电子海图导出的碍航区中的障碍物信息并不是规则图形，在对导出的拓补图进行栅格化操作后，仍有一些单元栅格存在含有部分障碍物的情况。为了提高规划出的路径的安全性与效率，需要对栅格化后的任务区域中的障碍物进行膨胀化处理。每个栅格无论是否被全部填满都将作为不可行区域处理，若障碍物在栅格地图中所在位置为(xi，yi)，八方向邻域拓展的方法如下:
15、
16、对膨胀后的障碍物的每个栅格进行判断：
17、1)若该栅格之前含有部分障碍物则将其当作碍航区，否则变为可航行区。
18、2)判断障碍物膨胀后是否抵达地图边界。若抵达边界则有四种情况，将其扩展至边界即可，具体方法如下：
19、
20、xmax，ymax为水平方向上坐标的最大值，竖直方向上坐标的最大值。
21、在将障碍物膨胀化处理后，对每一个障碍物的数据进行简化操作，只取多边形的轮廓作为障碍物点。
22、进一步地，本专利技术中，步骤三中，采用八方向双向a*搜索获取全局路径的具体方法为：
23、步骤31，建立两个open列表和两个close列表，open列表用来存放正反方向上已经生成但还没有被遍历即等待检查的节点数据，close列表用来记录正反向上已访问过的即不需要再检查的节点数据。
24、步骤32，将开始结点和目标节点分别放在两个open列表中作为当前节点，对它所有的可达到且没有标记过的子节点进行扩展，由于此时待搜索的节点只有一个，即开始结点和目标节点的评估值肯定为最优值，则将这两个节点分别加入到两个close列表中。
25、步骤33，对open列表中的子节点计算评估值，按照评估值的大小进行排列，找出评估值最小的节点，并给它作标记加入到对应的close列表中。
26、步骤34，如果满足搜索条件，表示找到路径，停止搜索；否则将该节点继续进行扩展，重复执行步骤43；或者open列表空了，表示没有路径。
27、步骤35，从两个close列表的相遇节点开始进行父亲节点遍历，规划出最终的路径。
28、进一步地，本专利技术中，步骤四中，基于栅格地图、全局路径采用dwa算法进行实时动态避碰进行局部路径规划方法为：
29、基于采用双向a*搜索出的全局路线，选出部分航路点作为局部路径规划的航路点，采用dwa算法进行动态避碰采用dwa算法需要先后进行速度采样、轨迹预测、轨迹评价、轨迹选择。
30、步骤41，设定速度边界限制，根据移动机器人的硬件条件和环境限制，移动机器人的速度存在的边界限制，此时可采样的速度空间vm为
31、vm＝{(v,ω)|v∈[vmin,vmax],ω∈[ωmin,ωmax]}
32、式中vmin,vmin分别为水下航行器最小线速度和最大线速度，ωmin,ωmax分别为水下航行器最小角速度和最大角速度。
33、步骤42，设定加速度限制，由于移动机器人的驱动电机的限制，故移动机器人的线加速度和角加速度均存在边界限制，假设最大加速度和减速度大小一样，故考虑加速度时可采样的速度空间vd，其表达式为：
34、
35、式中vc,ωc分别为移动机器人当前时刻的线速度和角速度，av_max,aω_max分别为移动机器人最大线加速度和最大角本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，所述步骤一中，建立海洋环境特征模型的具体方法为：
3.根据权利要求1或2所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，步骤二中，对碍航区的障碍物进行膨胀化、数据简化处理方式为：
4.根据权利要求3所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中，基于处理后的栅格地图采用八方向双向A*搜索获取全局路径，具体方法为：
5.根据权利要求4所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，所述步骤四、基于栅格地图、全局路径采用DWA算法进行实时动态避碰进行局部路径规划，具体方法为：
6.根据权利要求1或2所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，步骤五、基于DWA算法，采用APF算法进行辅助实时动态避碰进行局部路径规划，具体步骤包括：
7.根据权利要求5所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，步骤六中更改部分参数的具体做法为：
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【技术特征摘要】
1.水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，所述步骤一中，建立海洋环境特征模型的具体方法为：
3.根据权利要求1或2所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，步骤二中，对碍航区的障碍物进行膨胀化、数据简化处理方式为：
4.根据权利要求3所述的水下航行器通过狭窄水道的路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中，基于处理后的栅格地图采用八方向双向a*搜索获取全局...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁克非，王亚波，杨宗元，罗涛，杨建，杨毅，刘贤俊，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：
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