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，采用角度编码方式对中间路点进行编码，可用局部极坐标系下的极角坐标(一个变量)代替二维平面坐标(两个变量)唯一表示交接区域边界上任意点的位置，可显著降低问题维度和计算量；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，压缩路点极角坐标的取值范围，在运行路径规划算法之前直接剔除了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。求解多站接力导航下运动体路径规划问题的第一步是编码。现有的编码方式为角度编码方式，将中间路点限制在交接区域的边界弧上，通过合理建立局部极坐标系，采用极角坐标(一个变量)代替二维平面直角坐标(两个变量)来表示中间路点的位置，既压缩了解空间，又便于路径表示和约束处理。
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，可以显著降低问题维度和计算量，缩小路径的规划空间，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，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为圆形区域；导航交接约束是指为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的路段长度须不小于设定阈值，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、采用角度编码方式对中间路点进行编码，开始交接点和结束交接点分别被限制在交接区域的入弧和出弧上；交接区域边界弧包括入弧和出弧，所述入弧为运动体进入交接区域的边界弧，所述出弧为运动体离开交接区域的边界弧；开始交接点的角度编码方法为：以交接区域下一个导航站位置为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系；开始交接点被限制在交接区域的入弧上，其在局部极坐标系下的极径即为下一个导航站的有效作用半径，极角坐标取值范围为交接区域入弧所对应的极角闭区间；结束交接点的角度编码方法为：以交接区域上一个导航站位置为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系；结束交接点被限制在交接区域的出弧上，其在局部极坐标系下的极径为上一个导航站的有效作用半径，极角坐标取值范围为交接区域出弧所对应的极角闭区间；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，压缩开始交接点极角坐标和结束交接点极角坐标的取值范围；根据如下条件压缩开始交接点极角坐标的取值范围：设任意两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；以Oj+1为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系，入弧上的点在该局部极坐标系下的极角坐标θ表示；开始交接点极角坐标的取值范围为其中为点Aj的极角坐标，为点Bj的极角坐标；情形1：交接区域的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开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中为点Fj,1的极角坐标，为点Fj,2的极角坐标；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开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；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Lj满足则开始交接点极角坐标的取值范围不变；其中，导航交接约束阈值Lj是指为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的最短路段长度；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中，点Gj,1为射线BjOj与入弧的交点，为点Hj,1的极角坐标，为点Hj,2的极角坐标；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则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为④若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；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开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为③若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj，则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；情形3：入弧为优弧，出弧为劣弧：情形3-A：①若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为③若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中为点Jj,2的极角坐标，为点Jj,3的极角坐标；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则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中为点Jj,1的极角坐标，为点Jj,4的极角坐标；⑤若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj+1，则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；情形3-B：①若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为③若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为④若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为⑤若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj+1，则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；情形3-C：①若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为③若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为④若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为⑤若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj+1，则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；根据如下条件压缩结束交接点极角坐标的取值范围：以点Dj为出弧中点；以Oj为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局本文档来自技高网...

【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为圆形区域；导航交接约束是指为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的路段长度须不小于设定阈值，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、采用角度编码方式对中间路点进行编码，开始交接点和结束交接点分别被限制在交接区域的入弧和出弧上；交接区域边界弧包括入弧和出弧，所述入弧为运动体进入交接区域的边界弧，所述出弧为运动体离开交接区域的边界弧；开始交接点的角度编码方法为：以交接区域下一个导航站位置为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系；开始交接点被限制在交接区域的入弧上，其在局部极坐标系下的极径即为下一个导航站的有效作用半径，极角坐标取值范围为交接区域入弧所对应的极角闭区间；结束交接点的角度编码方法为：以交接区域上一个导航站位置为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系；结束交接点被限制在交接区域的出弧上，其在局部极坐标系下的极径为上一个导航站的有效作用半径，极角坐标取值范围为交接区域出弧所对应的极角闭区间；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，压缩开始交接点极角坐标和结束交接点极角坐标的取值范围；根据如下条件压缩开始交接点极角坐标的取值范围：设任意两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；以Oj+1为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系，入弧上的点在该局部极坐标系下的极角坐标θ表示；开始交接点极角坐标的取值范围为...

【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为圆形区域；导航交接约束是指为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的路段长度须不小于设定阈值，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、采用角度编码方式对中间路点进行编码，开始交接点和结束交接点分别被限制在交接区域的入弧和出弧上；交接区域边界弧包括入弧和出弧，所述入弧为运动体进入交接区域的边界弧，所述出弧为运动体离开交接区域的边界弧；开始交接点的角度编码方法为：以交接区域下一个导航站位置为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系；开始交接点被限制在交接区域的入弧上，其在局部极坐标系下的极径即为下一个导航站的有效作用半径，极角坐标取值范围为交接区域入弧所对应的极角闭区间；结束交接点的角度编码方法为：以交接区域上一个导航站位置为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系；结束交接点被限制在交接区域的出弧上，其在局部极坐标系下的极径为上一个导航站的有效作用半径，极角坐标取值范围为交接区域出弧所对应的极角闭区间；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，压缩开始交接点极角坐标和结束交接点极角坐标的取值范围；根据如下条件压缩开始交接点极角坐标的取值范围：设任意两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；以Oj+1为极点、水平方向向右为极轴、逆时针为正方向建立局部极坐标系，入弧上的点在该局部极坐标系下的极角坐标θ表示；开始交接点极角坐标的取值范围为其中为点Aj的极角坐标，为点Bj的极角坐标；情形1：交接区域的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开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中为点Fj,1的极角坐标，为点Fj,2的极角坐标；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开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；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Lj满足则开始交接点极角坐标的取值范围不变；其中，导航交接约束阈值Lj是指为确保导航交接成功，运动体在交接区域内的最短路段长度；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中，点Gj,1为射线BjOj与入弧的交点，为点Hj,1的极角坐标，为点Hj,2的极角坐标；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则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为④若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；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开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为③若导航交接约束阈值满足Lj>2Rj，则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为空集；情形3：入弧为优弧，出弧为劣弧：情形3-A：①若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围不变；②若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为③若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中为点Jj,2的极角坐标，为点Jj,3的极角坐标；以点Bj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Jj,1和点Jj,2；以点Aj为圆心、Lj为半径作圆，其与入弧的交点为点Jj,3和点Jj,4；④若导航交接约束阈值满足则开始交接点极角坐标的取值范围压缩为其中为点Jj,1的极角坐标，为点Jj,4的极角坐标；⑤若导航交接约束阈值满足Lj&a...

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