【技术实现步骤摘要】
基于改进RRT的水下航行器滚动规划算法
：本专利技术涉及路径规划
，具体的说是一种能够有效提高搜索效率的基于改进RRT的水下航行器滚动规划算法。
技术介绍
：在路径规划任务中，水下环境信息分成完全已知和部分已知等情况，对于未知的环境信息航行器需要在运动过程中逐步获得。水下环境信息完全已知的路径规划称为全局路径规划，水下环境信息部分已知的路径规划称为局部路径规划。常见的全局路径规划算法有可视图法、进化算法、启发式搜索算法等，常见局部路径规划算法有人工势场法、基于模糊逻辑的路径规划算法、基于案例学习的路径规划算法；全局路径规划算法并不适用于环境信息未知的路径规划问题。水下航行器的运动模型如图1所示，考虑到水下航行器自身大小与传感器感知范围比值大小，不能将水下航行器当作一个简单质点，在路径规划过程中应该考虑水下航行器的非完整性约束。非完整性约束是指含有系统广义坐标导数且不可积的约束，该约束使得系统的独立控制个数少于系统的位形自由度。常见的非完整性约束系统包括车辆、轮式机器人、水下航行器、欠驱动机器人和某些空间机器人。基本RRT算法即快速搜索随机树(Rapidly-...
【技术保护点】
1.一种基于改进RRT的水下航行器滚动路径规划算法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：滚动路径规划，滚动路径规划是利用重复进行的局部路径规划来代替全局路径规划，步骤如下：步骤1：充分利用航行器传感器得到的信息建立局部环境模型/规划窗口；步骤2：如果目标位置不在当前窗口内，则根据目标点位置以及路径优化准则确定子目标，同时将该子目标作为下一个周期的起始点；如果目标位置在当前窗口内，则采用当前位置作为子目标，在规划窗口内，航行器按照算法规划好的局部路径前进，窗口也相应的往前滚动；步骤3：在新的滚动窗口内，根据传感器获得的最新环境信息以及障碍物信息，对已知环境信息进行更新；步骤二：节...
【技术特征摘要】
2018.10.19 CN 20181121948621.一种基于改进RRT的水下航行器滚动路径规划算法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：滚动路径规划，滚动路径规划是利用重复进行的局部路径规划来代替全局路径规划，步骤如下：步骤1：充分利用航行器传感器得到的信息建立局部环境模型/规划窗口；步骤2：如果目标位置不在当前窗口内，则根据目标点位置以及路径优化准则确定子目标，同时将该子目标作为下一个周期的起始点；如果目标位置在当前窗口内，则采用当前位置作为子目标，在规划窗口内，航行器按照算法规划好的局部路径前进，窗口也相应的往前滚动；步骤3：在新的滚动窗口内，根据传感器获得的最新环境信息以及障碍物信息，对已知环境信息进行更新；步骤二：节点扩展过中考虑水下航行器非完整性约束，运动空间中水下航行器的状态为(x,y,θ)，由于非完整性约束，水下航行器在任何时候得满足：其中θ为水下航行器当前速度v的方向与坐标系原点的夹角，x、y为水下航行器的空间坐标，L为舵机到水下航行器重心之间的距离，水下航行器依靠机体尾部舵机更改方向，R为水下航行器的曲率半径，为舵机摆角，水下航行器是非完整性约束系统，从上式得知舵机摆角必须满足即路径的曲率半径小于水下航行器的最小转弯半径通过在拓展新节点时加入转角约束，可使规划出来的路径满足水下航行器的非完整性约束，具体算法是在基本RRT算法第8行flag＝＝0之后再添加一个判断条件如果新节点不满足非完整性约束，则进入下一次循环重新扩展新节点；步骤三：确定滚动窗口子目标，采用启发式规则确定窗口子目标，在窗口内经过N次采样之后，在快速搜索随机树上寻找启发式值最小的节点，将该节点作为窗口子目标，同时建立新的快速搜索随机树，并将该节点作为新树的起点Qstart，从该节点出发，在局部窗口中进行N次采样，重复该过程直到局部窗口的范围内包含目标节点qgaol，其中启发式值为节点与目标点的直线距离长度；步骤四：算法运行构建滚动窗口，并且判断当前窗口内是否包含目标点qgaol，如果不包含则以当前窗口为规划空间，利用RRT算法得到新节点qnew，接下来判断qnew是否满足避碰条件以及水下航行器的非完整性约束，如果不满足则进入下一次循环，如果满足则将新节点添加到随机树T上，重复以上过程直到当前迭代次数超过设置好的最大迭代次数，此时采用启发式规则确定局部子目标，并将局部子目标作为新的出发点Qstart，重复以上过程直到窗口范围内包含qgaol，当窗口范围内包含qgaol，则以利用RRT算法进行路径规划，直到到达目标点qgaol。2.根据权利要求1所述的一种基于改进RRT的水下航行器滚动路径规划算法，其特征在于还包括在不同的区域采用不同的扩展方向，即在开阔区域采用随机扩展或设定一定的几率向qgaol扩展，在狭窄区域应用障碍物和随机搜索树的信息进行扩展，提高搜索效率，并提出了节点可见度的概念，利用节点可见度判断当前节点所处空间扩展难易程度，根据节点度大小选择节点扩展方向以及节点扩展步长；其中选择节点扩展方向以及节点扩展步长的过程分2步，首先根据节点可见度找到对应的扩展方向集合或者扩展步长集合，然后根据随机选择得到扩展方向或者是扩展步长。3.根据权利要求2所述的一种基于改进RRT的水下航行器滚动路径规划算法，其特征在于所述节点可见度表示将当前节点q扩展生成有效新节点的难易程度，如果节点qNode相对于另外一个节点q是可见的，这说明可以通过RRT算法的节点扩展方案，在某种分辨率下产生连续的相邻序列ε，其中ε＝{coor0,coor1,,.coorn}，其中coor0＝qNode，coorn＝q，并且任意coori∈ε是有效的节点，即不与障碍物发生碰撞，虽然节点可见度Visibility的确切大小在高维空间中是很难计算的，但是它可以简单的基于节点与其他节点连接的成功率来近似表示，其中δ为距离度量函数，此处为2节点之间直线距离，Δq为扩展步长，在得到本次有效扩展的长度extendDist之后，利用extendDi...
【专利技术属性】
技术研发人员：张永健，徐阳帆，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37
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