基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法，采用区域编码方式对路点进行编码，其位置可用局部直角坐标系下的二维坐标唯一表示，区域编码方法可表示出“眼状”交接区域内任意点的位置，具有广泛的适用性；根据导航交接约束阈值与导航站位置及有效作用半径之间的几何关系，压缩路点横坐标的取值范围，在运行路径规划算法之前直接剔除部分违反导航交接约束的不可行解，缩小了路径的规划空间，有利于路径规划算法更快找到高质量的可行解。

【技术实现步骤摘要】
基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法
本专利技术属于运动体路径规划研究领域，具体涉及一种基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法。
技术介绍
多站接力导航是通过散布于不同空间位置且导航作用范围能够覆盖较大空间的多个导航站依次为运动体接续导航的联合导航方法。运动体依赖于外部导航站为其提供位置信息或控制指令。与其他导航方式比较，运动体自身导航方式(如惯性导航)精度有限，卫星导航方式易遭破坏且造价成本高，而多站接力导航方式不仅可靠性强，而且可通过多站联合接力导航的方式为运动体执行远程任务提供路径导引，有效延伸运动体的可控移动范围。多站接力导航下运动体路径规划问题是实现这种具有前沿性的先进导航方式所需解决的一个关键问题。多站接力导航技术为运动体的路径规划施加了两个特殊的约束条件：1)导航范围约束，即运动体从起点到终点的整条路径须位于导航站的有效作用范围内；2)导航交接约束，即运动体在交接区域(两个导航站有效作用范围的重叠区域)内的最短路段长度须大于一定值，以确保运动体的导航权从一个站成功移交给另一个站。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法，缩小了路径的规划空间，有利于路径规划算法更快找到高质量的可行解。基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、输入运动体的起点位置、终点位置、导航交接约束阈值、多个导航站的位置及有效作用半径；导航站的有效作用范围用圆形区域表示；定义导航交接约束阈值为：为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的最小路段长度；所述交接区域是指两个导航站有效作用范围的重叠区域；一条路径由包括起点、多个中间路点和终点的路点依次连接而成，路点之间采用直线段连接；定义中间路点包括所有交接区域的开始交接点和结束交接点；所述开始交接点表示下一个导航站开始为运动体提供导航信息的位置，所述结束交接点表示上一个导航站停止为运动体提供导航信息的位置，在开始交接点和结束交接点之间，运动体的导航信息由两个导航站共同提供，并完成运动体导航权的移交；一条路径由所有中间路点的位置联合表示；步骤2、采用区域编码方式对中间路点进行编码，开始交接点和结束交接点位于交接区域内的任意位置；定义交接区域入弧的两个端点，也是出弧的两个端点，为交接区域的两个顶点；以交接区域两个顶点连线段的中点为原点建立局部直角坐标系，其中，Y'轴正方向为交接区域对应的上一个导航站位置指向下一个导航站位置的方向，X'轴正方向由Y'轴左侧指向右侧；则开始交接点和结束交接点的位置由该局部直角坐标系下的二维坐标(x',y')唯一表示；分别确定开始交接点和结束交接点的两个坐标的取值范围：其中，x'坐标的取值范围为：在该局部直角坐标下，若交接区域的入弧和出弧均为劣弧，x'坐标的取值范围则为其中A和B为交接区域的两个顶点；若入弧和出弧有一个不是劣弧，x'坐标的取值范围则为[-min(R1,R2),min(R1,R2)]；其中R1和R2分别为交接区域上一个导航站与下一个导航站的有效作用半径；y'坐标的取值范围为：以开始交接点和结束交接点在X'轴上的投影点为垂足作辅助线，与交接区域边界弧交于两个点，该两个点在Y'轴上的坐标值即为开始交接点和结束交接点的y'坐标的最大值和最小值。步骤3、根据导航交接约束阈值与导航站位置及有效作用半径之间的几何关系，压缩开始交接点和结束交接点x'坐标的取值范围，直接剔除部分违反导航交接约束的不可行解；步骤4、基于步骤3得到的被压缩后的区域编码路径规划空间，进行路径规划，优化中间路点的位置。较佳的，所述步骤3中，压缩开始交接点和结束交接点x'坐标的取值范围方法如下：S300、设任意两个相邻导航站位置分别为Oj和Oj+1，半径分别为Rj和Rj+1，交于点Aj(向量左侧)和点Bj(向量右侧)，点Cj为入弧中点，点Dj为出弧中点；S301、根据如下条件，计算入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合：情形1：入弧和出弧均为劣弧：情形1-A：入弧中点在线段OjOj+1上：①若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中为点Aj的x'坐标值，为点Bj的x'坐标值；②若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中为点Fj,1的x'坐标值，为点Fj,2的x'坐标值；以点Bj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Fj,1；以点Aj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Fj,2；③若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为空集；情形1-B：入弧中点不在线段OjOj+1上：①若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为②若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中，点Gj,1为射线BjOj与入弧的交点，为点Hj,1的x'坐标值，为点Hj,2的x'坐标值；以点Oj为圆心、Lj-Rj为半径作圆，其与入弧的交点为点Hj,1(距离点Aj较近)和点Hj,2(距离点Aj较远)；③若导航交接约束阈值满足若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为④若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为空集；情形2：入弧为劣弧，出弧为优弧：①若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为[-Rj,Rj]；②若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为③若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj，则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为空集；情形3：入弧为优弧，出弧为劣弧：①若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为[-Rj+1,Rj+1]；②若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为③若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中为点Jj,2的x'坐标值，为点Jj,3的x'坐标值；以点Bj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Jj,1(距离点Aj较近)和点Jj,2(距离点Aj较远)；以点Aj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Jj,3(距离点Aj较近)和点Jj,4(距离点Aj较远)；④若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj+1，则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为空集；S302、根据如下条件，计算出弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合：情形1：出弧和入弧均为劣弧：情形1-A：出弧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、输入运动体的起点位置、终点位置、导航交接约束阈值、多个导航站的位置及有效作用半径；导航站的有效作用范围用圆形区域表示；定义导航交接约束阈值为：为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的最小路段长度；所述交接区域是指两个导航站有效作用范围的重叠区域；一条路径由包括起点、多个中间路点和终点的路点依次连接而成，路点之间采用直线段连接；定义中间路点包括所有交接区域的开始交接点和结束交接点；所述开始交接点表示下一个导航站开始为运动体提供导航信息的位置，所述结束交接点表示上一个导航站停止为运动体提供导航信息的位置，在开始交接点和结束交接点之间，运动体的导航信息由两个导航站共同提供，并完成运动体导航权的移交；一条路径由所有中间路点的位置联合表示；步骤2、采用区域编码方式对中间路点进行编码，开始交接点和结束交接点位于交接区域内的任意位置；定义交接区域入弧的两个端点，也是出弧的两个端点，为交接区域的两个顶点；以交接区域两个顶点连线段的中点为原点建立局部直角坐标系，其中，Y'轴正方向为交接区域对应的上一个导航站位置指向下一个导航站位置的方向，X'轴正方向由Y'轴左侧指向右侧；则开始交接点和结束交接点的位置由该局部直角坐标系下的二维坐标(x',y')唯一表示；分别确定开始交接点和结束交接点的两个坐标的取值范围：其中，x'坐标的取值范围为：在该局部直角坐标下，若交接区域的入弧和出弧均为劣弧，x'坐标的取值范围则为...

【技术特征摘要】
1.基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、输入运动体的起点位置、终点位置、导航交接约束阈值、多个导航站的位置及有效作用半径；导航站的有效作用范围用圆形区域表示；定义导航交接约束阈值为：为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的最小路段长度；所述交接区域是指两个导航站有效作用范围的重叠区域；一条路径由包括起点、多个中间路点和终点的路点依次连接而成，路点之间采用直线段连接；定义中间路点包括所有交接区域的开始交接点和结束交接点；所述开始交接点表示下一个导航站开始为运动体提供导航信息的位置，所述结束交接点表示上一个导航站停止为运动体提供导航信息的位置，在开始交接点和结束交接点之间，运动体的导航信息由两个导航站共同提供，并完成运动体导航权的移交；一条路径由所有中间路点的位置联合表示；步骤2、采用区域编码方式对中间路点进行编码，开始交接点和结束交接点位于交接区域内的任意位置；定义交接区域入弧的两个端点，也是出弧的两个端点，为交接区域的两个顶点；以交接区域两个顶点连线段的中点为原点建立局部直角坐标系，其中，Y'轴正方向为交接区域对应的上一个导航站位置指向下一个导航站位置的方向，X'轴正方向由Y'轴左侧指向右侧；则开始交接点和结束交接点的位置由该局部直角坐标系下的二维坐标(x',y')唯一表示；分别确定开始交接点和结束交接点的两个坐标的取值范围：其中，x'坐标的取值范围为：在该局部直角坐标下，若交接区域的入弧和出弧均为劣弧，x'坐标的取值范围则为其中A和B为交接区域的两个顶点；若入弧和出弧有一个不是劣弧，x'坐标的取值范围则为[-min(R1,R2),min(R1,R2)]；其中R1和R2分别为交接区域上一个导航站与下一个导航站的有效作用半径；y'坐标的取值范围为：以开始交接点和结束交接点在X'轴上的投影点为垂足作辅助线，与交接区域边界弧交于两个点，该两个点在Y'轴上的坐标值即为开始交接点和结束交接点的y'坐标的最大值和最小值。步骤3、根据导航交接约束阈值与导航站位置及有效作用半径之间的几何关系，压缩开始交接点和结束交接点x'坐标的取值范围，直接剔除部分违反导航交接约束的不可行解；步骤4、基于步骤3得到的被压缩后的区域编码路径空间，进行路径规划，优化中间路点的位置。2.如权利要求1所述的基于空间压缩的多站接力导航下运动体路径规划方法，其特征在于，所述步骤3中，压缩开始交接点和结束交接点x'坐标的取值范围方法如下：S300、设任意两个相邻导航站位置分别为Oj和Oj+1，半径分别为Rj和Rj+1，交于点Aj和点Bj，点Cj为入弧中点，点Dj为出弧中点；S301、根据如下条件，计算入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合：情形1：入弧和出弧均为劣弧：情形1-A：入弧中点在线段OjOj+1上：①若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中为点Aj的x'坐标值，为点Bj的x'坐标值；②若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中为点Fj,1的x'坐标值，为点Fj,2的x'坐标值；以点Bj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Fj,1；以点Aj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Fj,2；③若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为空集；情形1-B：入弧中点不在线段OjOj+1上：①若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为②若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为其中，点Gj,1为射线BjOj与入弧的交点，为点Hj,1的x'坐标值，为点Hj,2的x'坐标值；以点Oj为圆心、Lj-Rj为半径作圆，其与入弧的交点为点Hj,1和点Hj,2；③若导航交接约束阈值满足若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为④若导航交接约束阈值满足则入弧上满足“到交接区域边界的最长距离不小于导航交接约束阈值”的点的x'坐标集合为空集；情形2：入弧为劣弧，出弧为优弧：①若导航交接约束阈值满足则入弧上...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦丽华，漆鸣凤，辛斌，陈杰，陈晨，白永强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11