一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法技术

本发明专利技术公开了一种基于圆形轨迹单元的避障方法。该方法能够很好的将无人艇的动态特性与避障过程结合。首先，圆弧网格允许无人艇候选航向和路径点在弧上有连续变化，这与连续运动曲线有较好的相关性。其次，利用圆形网格树搜索的结构，解决了空间完全覆盖问题。轨迹单元将轨迹约束添加到空间搜索过程中，实现了运动曲线和避障的结合。最后，通过标准化规则解决了轨迹的离散化和维持最终路径连续性的问题。本发明专利技术方法提供了一种新的运动规划避障方法，应用该方法能很好地避碰静态和动态障碍物，避碰路径不仅符合无人艇的动态特性，而且为无人艇的操纵提供操舵指令，从而助力实现水面无人艇精确运动规划。

An obstacle avoidance method of unmanned boat based on circular trajectory element

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法
本专利技术涉及智能航海领域，具体是一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法。
技术介绍
对于无人驾驶车辆、船舶等，安全是执行任务首要解决的问题。避免碰撞是安全行驶的关键。对于欠驱动系统，如无人地面车辆(UGV)，无人驾驶飞行器(UAV)和无人驾驶水面无人艇(USV)，避碰的研究需要考虑运动学和动力学约束。因此，在无人驾驶中讨论的一个关键问题是运动规划避碰。一般来说，无人艇的运动规划避碰中存在两个问题需要解决：地图建模和避碰算法。地图建模是避碰算法的基础。如果没有适当和准确的地图表示，则避碰算法无法充分发挥作用。水面无人艇与无人驾驶车辆或无人机相比，水面无人艇所处的环境更复杂。首先，无人车或无人机的运动总是处于一种媒介中。但对于水面无人艇而言，其中作用环境有两种媒介，分别是水和空气。其次，无人艇运动有六个自由度，但只有两个控制变量(舵角和主发动机转速)。此外，由于水面的惯性，阻力和响应时间大于地面或空中的惯性，所以相应的阻力更大和响应时间更长。进一步的，如果在一些特殊的航行环境中，如港口和近海区域，可航行水域的交通密度很高，这给无人艇的运动控制造成了更大的困难。因此，应用于无人车或无人机的避碰算法方法不适合水面无人艇。针对现有的水面无人艇驾驶的技术缺陷，提出一种适应现有复杂水域的无人艇运动规划避碰方法，助力实现水面无人艇精确运动规划。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法，包括以下步骤：1)在地图划分圆网格树，生成圆形树状地图，确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；所述轨迹单元为圆形轨迹单元,所述轨迹单元的生成方式如下：3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；规则三：所有轨迹段的起点和终点之间的距离是相同的；(对应圆网格半径)规则四：所有轨迹段适应圆网格树地图；树的每一层中，当前点始终是圆的中心，并且下一个候选路径点总是位于该圆的圆弧上；3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，根据不同的目标航向产生运动曲线，并将90度作为最大航向变化，建立圆形轨迹单元库；4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。按上述方案，所述圆网格树地图中，通过船舶领域确定圆网格的半径，圆形网格的半径是USV的船舶领域的大小，即椭圆形船舶领域的长轴。按上述方案，所述步骤4)中下一个可达路径点的轨迹通过舵角δ，位置(x，y)和艏向角θ共同生成。按上述方案，所述步骤4)中下一个可达路径点的轨迹中，舵角通过艏向角计算，具体如下：θ＝aδ3+bδ2+cδ+d；其中a，b，c和d是拟合系数。按上述方案，所述步骤4)中下一个可达路径点的轨迹中，舵角通过位置计算，将位置坐标(x，y)转换表示为极坐标(R，α)，通过α计算航向角,再根据航向角获得舵角，具体如下：航向和中心角的关系函数：其中，点C(xc，yc)是当前节点，点D(xd，yd)是目的地。按上述方案，所述步骤4)中，若下一个可达路径点的轨迹存在障碍物，则采用圆形覆盖障碍物，通过确定当前节点和覆盖障碍物圆形的切点绕过障碍物。按上述方案，所述步骤4)中，切点的选取如下：确定当前节点和覆盖障碍物圆形的两个切点和假设无障碍物的目标角，选取两个相切角和目标角之间的差异较小的那个角对应的切点。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术利用圆形网格树的结构，解决了空间完全覆盖问题，实现了运动曲线和避障的组合。通过标准化规则解决了轨迹的离散化和维持最终路径连续性的问题。因此，运动避障方法以圆网格轨迹单元为基本单元来搜索水域并进行动态避障。实验结果表明，能很好地避免静态和动态障碍。避碰路径不仅符合USV的动态特性，而且为转向指令提供了参考。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图；图2是本专利技术实施例的网格图搜索方向示意图；图3是本专利技术实施例的圆圈图搜索方向示意图；图4是本专利技术实施例的网格化地图示意图；图5是本专利技术实施例的圆形地图示意图；图6是本专利技术实施例的矩形重叠地图示意图；图7是本专利技术实施例的同心重叠结构示意图；图8是本专利技术实施例的树重叠结构示意图；图9是本专利技术实施例的生成圆形轨迹单元的过程示意图；图10是本专利技术实施例的圆形轨迹单元库示意图；图11是本专利技术实施例的利用船舶领域确定圆网格的半径示意图；图12是本专利技术实施例的运动曲线示意图；图13是本专利技术实施例的极坐标系与直角坐标系之间的关系转换示意图；图14是本专利技术实施例的舵角、航向和中心角关系示意图；图15是本专利技术实施例的轨迹路径搜索示意图；图16是本专利技术实施例的避免碰撞切点示意图；图17是本专利技术实施例的避免多重障碍物碰撞的策略示意图；图18是本专利技术实施例的维持航向避免碰撞示意图；图19是本专利技术实施例的避免碰撞示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法，包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；所述轨迹单元的生成方式如下：3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；规则三：所有轨迹段的起点和终点之间的距离是相同的；(半径)规则四：所有轨迹段适应圆网格树地图；树的每一层中，当前点始终是圆的中心，并且下一个候选路径点总是位于该圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法，包括以下步骤：/n1)在地图划分圆网格树，生成圆形树状地图，确定无人艇运动路径的起点和终点；/n2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；/n3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；/n所述轨迹单元为圆形轨迹单元,所述轨迹单元的生成方式如下：/n3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；/n3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：/n规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；/n规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；/n规则三：所有轨迹段的起点和终点之间的距离是相同的；(对应圆网格半径)/n规则四：所有轨迹段适应圆网格树地图；树的每一层中，当前点始终是圆的中心，并且下一个候选路径点总是位于该圆的圆弧上；/n3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，根据不同的目标航向产生运动曲线，并将90度作为最大航向变化，建立圆形轨迹单元库；/n4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；/n5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法，包括以下步骤：
1)在地图划分圆网格树，生成圆形树状地图，确定无人艇运动路径的起点和终点；
2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；
3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角、无人艇运动的轨迹单元以及障碍物所处的路径点，求取可达路径点；
所述轨迹单元为圆形轨迹单元,所述轨迹单元的生成方式如下：
3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；
3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：
规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；
规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；
规则三：所有轨迹段的起点和终点之间的距离是相同的；(对应圆网格半径)
规则四：所有轨迹段适应圆网格树地图；树的每一层中，当前点始终是圆的中心，并且下一个候选路径点总是位于该圆的圆弧上；
3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，根据不同的目标航向产生运动曲线，并将90度作为最大航向变化，建立圆形轨迹单元库；
4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；
5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。


2.根据权利要求1所述的基于圆形轨迹单元的无人艇避障方法，其特征在于，所述圆网格树地图中，通过船舶...

【专利技术属性】
技术研发人员：文元桥，杜哲，顾尚定，周春辉，肖长诗，黄亮，张帆，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42