一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法，包括下述步骤：步骤一，对地图空间进行建模；在二维空间中生成O‑XYZ坐标系，O为原点，X、Y、Z分别对应X、Y、Z轴，并对空间进行离散化处理，在坐标系中生成density*density*density个像素点，其中density表示密度，每一个像素点代表一个位置点；同时对位置点划分为可达点和不可达点，在算法中将可达点标记为0，将不可达点标记为1；本发明专利技术在航行器逐步探测海底信息的过程中，可实时运算当前搜索到的路径信息，而不需要待全部海底信息探测完成后再进行运算，节省了在探索过程中浪费的时间。

A Tree Diffusion Heuristic Path Planning Method for Seabed Unknown Terrain Search

The invention discloses a tree diffusion heuristic path planning method for seabed unknown terrain search, which includes the following steps: first, modeling map space; generating O XYZ coordinate system in two-dimensional space, O as origin, X, Y and Z correspond to X, Y and Z axes respectively, and discretizing the space, generating density * density * density pixels in the coordinate system. The middle density denotes density, and each pixel represents a position point; at the same time, the position points are divided into reachable points and unreachable points, and the reachable points are marked 0 and unreachable points are marked 1 in the algorithm. In the process of gradually detecting seabed information, the current searched path information can be computed in real time without requiring all seabed information to be detected. Line operation saves the time wasted in the exploration process.

【技术实现步骤摘要】
一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法
本专利技术涉及路径规划
，具体涉及一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法。
技术介绍
海洋是个巨大的资源宝库，除了含有丰富的水资源以外，也蕴含着丰富的生物资源、石油资源、可燃冰资源和矿产资源，其数量非常庞大。同时，海洋面积约占地球表面积的70％，是人类未来重要的活动空间。多个世纪以来，人类不断加大对陆地资源的开发，使得陆地资源日趋枯竭，稀缺的陆地资源不足以支撑人类社会快速发展的需要，对人类起着巨大的制约影响。对此，世界各国开始对海洋资源进行探测与开发。在新世纪下，各国在对陆地资源开发的同时对海洋进行探索，能拓宽人类的生存空间，促进各国的合作交流，其具有巨大的开发潜力和战略意义。目前，各国对海洋竞相探索与开发，但对海洋只探索了5％，还有95％的大海海底是未知的。根据已知的海底信息可推断，未知的海洋环境往往是复杂和危险的，所以加强对海洋探测设备的研究具有重要的价值。随着科技的发展，很多国家均研发出了自主式水下机器人(AUV)，与载人潜水器相比，AUV的体积非常小，相对比较灵活，而且所需能源也少，可大批量生产。各个研究机构为AUV搭配了各种探测设备，如传感器，使之能够探测未知区域；且每个AUV均内置计算机系统，能够感知复杂和危险的水底环境并进行决策与判断，具有强自主学习的智能性，能为使用者提供高效的环境分析。在AUV探索过程中，需要路径规划技术来引导航行器的探索，为航行器在复杂的海底环境空间中搜索出一条从起始点到终止点的可行路径，并要求该路径具有不触碰海底障碍物、路径长度尽可能短的特性；针对这些要求，国内外已有大量相关的路径规划研究。其中，有基于虚拟势场和导航函数搜索的方法，如人工势场法、谐波函数势场、流场等等；有基于数学最优化的方法，如滚动优化、线性规划、水平集、支持向量机等等；有基于生物智能的算法，如蚁群算法、粒子群算法、遗传与进化算法、神经网络法等等；，但是，以上方法均是基于地图信息全已知的前提下进行的，属于全局信息搜索，而实际情况中往往很难获得地形的全部信息，属于局部信息搜索的情况，需要航行器逐步探测来获取。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法，该方法能够实时运算当前搜索到的路径信息，节省了成本，大大提高工作效率。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法，包括下述步骤：步骤一，对地图空间进行建模；在二维空间中生成O-XYZ坐标系，O为原点，X、Y、Z分别对应X、Y、Z轴，并对空间进行离散化处理，在坐标系中生成density*density*density个像素点，其中density表示密度，每一个像素点代表一个位置点；同时对位置点划分为可达点和不可达点，在算法中将可达点标记为0，将不可达点标记为1；将两点之间的连线划分为可行路径和不可行路径，可行路径是指航行器可通行的路径，不可行路径是指该路径会触碰障碍物；在分析障碍物时，若地形空间的像素点被障碍物囊括，则将该像素点标记为障碍点；对于可达点，对其划分为普通可达点、边缘可达点和潜力可达点，而潜力可达点是边缘可达点的子集；步骤二，面对未知的海底空间，航行器需要逐步探测地形环境，并评估可行路径；航行器基于起始点进行第一层的探测，即扩散操作，将探测得到的障碍点记录到障碍点集合，以及将探测得到的潜力点记录到潜力点集合；其中，所述扩散操作具体为：基于一个扩散点，遍历当前已获得的所有像素点信息，判断该像素点是否满足潜力点定义，若满足则将该潜力点设置为扩散点的孩子节点，将扩散点设置为潜力点的父亲节点，并计算当前潜力点到根节点的可行路径距离；步骤三，进入探测循环，直至当前层的潜力点集合为空时才退出循环；在循环中，遍历当前层的所有潜力点，将这些潜力点分别作为扩散点进行扩散操作，扩散得到的新潜力点设为对应扩散点的孩子节点，并标记为当前层的下一层，与之相对应的，将扩散点作为新潜力点的父亲节点；由于不同的扩散点可能扩散得到相同的潜力点，对于同一个潜力点有不同的到达起始点的路径的情况，实际上只有最短的一条路径才有意义，所以此处利用对树结构的修正操作以达到任意一个被探测到的潜力点均只有一个父亲节点；当遍历完当前层的潜力点后，接着遍历下一层的潜力点，直至当前层的潜力点集合为空时，跳出循环；其中，所述修正操作具体为：扩散点执行扩散操作时，若搜索到的潜力可达点已有父亲节点，且将该潜力可达点沿着原父亲节点到根节点的可行路径距离记为oldDist，沿着当前扩散点到根节点的可行路径距离记为newDist，则对比oldDist和newDist：若oldDist要短，则该潜力可达点的父子关系不变；若newDist要短，则取消原父子关系，将当前扩散点设置为该潜力可达点的父亲，将该潜力可达点设为当前扩散点的孩子。步骤四，最终得到一棵完整的树，其中根节点为起始点，叶子节点为能够与终止点直连的潜力点，然后遍历每一个叶子节点，利用树的孩子与父亲的连接关系，计算出每一条路径的长度，并从中找出最短路径，结束算法。优选地，在步骤三的循环中，如果当前扩散点到根节点的距离大于目前已到达终止点的完整路径的距离bestLen，意味着扩散后得到的路径必定长于bestLen，则该扩散点不执行扩散操作。优选地，在扩散操作中，潜力可达点的邻域的步长可设为1l、2l、3l，邻域指的是以当前点为中心点，以步长的距离沿着纵横两方向构成的区域所覆盖的像素点，邻域的不同步长设置影响探测到的潜力边缘点的数目，最终影响到算法得出的最短路径。优选地，判断空间中任意两点是否能够直连的具体步骤如下：取点i和点j的坐标，分别找到x、y、z坐标的最小值lower和最大值upper，然后以步长1，分别对x、y、z从lowerx、lowery和lowerz进行递增，每一次递增所影响到的另外两个元素由下式求得：然后对递增后得出的坐标(x0,y0,z0)归约到最近的位置点并进行障碍判断，若该顶点是非可行点，则判定点i和点j之间的线段在点(x0,y0,z0)处触碰到了障碍物，点i和点j不能直连；若该连线在x、y、z三个方向的递增障碍判断中均无触碰到障碍物，则点i和点j能够直连。本专利技术与现有技术相比具有以下的有益效果：(1)本专利技术在航行器逐步探测海底信息的过程中，可实时运算当前搜索到的路径信息，而不需要待全部海底信息探测完成后再进行运算，节省了在探索过程中浪费的时间；(2)本专利技术只记录障碍物的边缘信息，可大大减少存储的成本，提高运算的效率。(3)本专利技术不是每次只能探测到当前位置邻域的信息，而是很好地贴合航行器的声纳技术，在当前位置能尽可能远地收集到地形信息并加以分析处理出下一个位置点的情况，提高了探索地形环境的效率；(4)本专利技术能得出一个树形结构的搜索结果，层次结构清晰，使用者除了能搜索出最短路径，还能从中分析出地形的特点。附图说明图1为本专利技术的整体流程图；图2为本专利技术潜力可达点判定示意图；图3为本专利技术圆形障碍物与边缘点的二维俯视图；图4为本专利技术判断两点之间是否直连示意图；图5为本专利技术扩散操作探测示意图；图6为本专利技术邻域范围设置示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一，对地图空间进行建模；在二维空间中生成O‑XYZ坐标系，O为原点，X、Y、Z分别对应X、Y、Z轴，并对空间进行离散化处理，在坐标系中生成density*density*density个像素点，其中density表示密度，每一个像素点代表一个位置点；同时对位置点划分为可达点和不可达点，在算法中将可达点标记为0，将不可达点标记为1；将两点之间的连线划分为可行路径和不可行路径，可行路径是指航行器可通行的路径，不可行路径是指该路径会触碰障碍物；在分析障碍物时，若地形空间的像素点被障碍物囊括，则将该像素点标记为障碍点；对于可达点，对其划分为普通可达点、边缘可达点和潜力可达点，而潜力可达点是边缘可达点的子集；步骤二，面对未知的海底空间，航行器需要逐步探测地形环境，并评估可行路径；航行器基于起始点进行第一层的探测，即扩散操作，将探测得到的障碍点记录到障碍点集合，以及将探测得到的潜力点记录到潜力点集合；其中，所述扩散操作具体为：基于一个扩散点，遍历当前已获得的所有像素点信息，判断该像素点是否满足潜力点定义，若满足则将该潜力点设置为扩散点的孩子节点，将扩散点设置为潜力点的父亲节点，并计算当前潜力点到根节点的可行路径距离；步骤三，进入探测循环，直至当前层的潜力点集合为空时才退出循环；在循环中，遍历当前层的所有潜力点，将这些潜力点分别作为扩散点进行扩散操作，扩散得到的新潜力点设为对应扩散点的孩子节点，并标记为当前层的下一层，与之相对应的，将扩散点作为新潜力点的父亲节点；由于不同的扩散点可能扩散得到相同的潜力点，对于同一个潜力点有不同的到达起始点的路径的情况，实际上只有最短的一条路径才有意义，所以此处利用对树结构的修正操作以达到任意一个被探测到的潜力点均只有一个父亲节点；当遍历完当前层的潜力点后，接着遍历下一层的潜力点，直至当前层的潜力点集合为空时，跳出循环；其中，所述修正操作具体为：扩散点执行扩散操作时，若搜索到的潜力可达点已有父亲节点，且将该潜力可达点沿着原父亲节点到根节点的可行路径距离记为oldDist，沿着当前扩散点到根节点的可行路径距离记为newDist，则对比oldDist和newDist：若oldDist要短，则该潜力可达点的父子关系不变；若newDist要短，则取消原父子关系，将当前扩散点设置为该潜力可达点的父亲，将该潜力可达点设为当前扩散点的孩子；步骤四，最终得到一棵完整的树，其中根节点为起始点，叶子节点为能够与终止点直连的潜力点，然后遍历每一个叶子节点，利用树的孩子与父亲的连接关系，计算出每一条路径的长度，并从中找出最短路径，结束算法。...

【技术特征摘要】
1.一种面向海底未知地形搜索的树扩散启发式路径规划方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一，对地图空间进行建模；在二维空间中生成O-XYZ坐标系，O为原点，X、Y、Z分别对应X、Y、Z轴，并对空间进行离散化处理，在坐标系中生成density*density*density个像素点，其中density表示密度，每一个像素点代表一个位置点；同时对位置点划分为可达点和不可达点，在算法中将可达点标记为0，将不可达点标记为1；将两点之间的连线划分为可行路径和不可行路径，可行路径是指航行器可通行的路径，不可行路径是指该路径会触碰障碍物；在分析障碍物时，若地形空间的像素点被障碍物囊括，则将该像素点标记为障碍点；对于可达点，对其划分为普通可达点、边缘可达点和潜力可达点，而潜力可达点是边缘可达点的子集；步骤二，面对未知的海底空间，航行器需要逐步探测地形环境，并评估可行路径；航行器基于起始点进行第一层的探测，即扩散操作，将探测得到的障碍点记录到障碍点集合，以及将探测得到的潜力点记录到潜力点集合；其中，所述扩散操作具体为：基于一个扩散点，遍历当前已获得的所有像素点信息，判断该像素点是否满足潜力点定义，若满足则将该潜力点设置为扩散点的孩子节点，将扩散点设置为潜力点的父亲节点，并计算当前潜力点到根节点的可行路径距离；步骤三，进入探测循环，直至当前层的潜力点集合为空时才退出循环；在循环中，遍历当前层的所有潜力点，将这些潜力点分别作为扩散点进行扩散操作，扩散得到的新潜力点设为对应扩散点的孩子节点，并标记为当前层的下一层，与之相对应的，将扩散点作为新潜力点的父亲节点；由于不同的扩散点可能扩散得到相同的潜力点，对于同一个潜力点有不同的到达起始点的路径的情况，实际上只有最短的一条路径才有意义，所以此处利用对树结构的修正操作以达到任意一个被探测到的潜力点均只有一个父亲节点；当遍历完当前层的潜力点后，接着遍历下一层的潜力点，直至当前层的潜力点集合为空时，跳出循环；其中，所述修正操作具体为：扩散点执行扩散操作时，若搜索到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓敏，梁天毅，李敏，曾颖，陈伟能，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44