【技术实现步骤摘要】
一种水上无人船路径规划方法
[0001]本专利技术涉及路径规划领域，具体涉及一种水上无人船路径规划方法。
技术介绍
[0002]水面无人船如何能够在复杂多变的海域环境下安全、有效地行驶，根据有效的手段避开潜在的风险，并以最优路径到达终点的研究中，主要研究局部自主避障和全局路径规划的技术路线。在全局路径规划中，环境信息完全己知，这其中包括障碍物位置，形状等，以此为基础建立环境信息模型，再利用相关路径捜索算法求最优解。全局规划是根据环境中的已知信息所做出的规划，而局部规划则是根据外界环境的变化而作出的实时动态规划。局部规划是研究对象通过传感器等设备感知当前所处位置以及外界环境的变化情况后，规划出从起点或者子目标点到下一个子目标点的路径。
[0003]目前的研究主要包括以下方法：
[0004]①
可视图法(Visibility Graph)是在1979年由Michael A.Wesley提出并率先使用的。该算法将起始点与所有障碍物的顶点同终点用直线组合连接起来，同时保证每一条连线不能穿过障碍物，然后搜寻起始...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种水上无人船路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建水面无人船运动的数学模型；水面无人船的运动模型包括地面坐标系η＝[x,y,ψ]
T
和运动坐标系v＝[u,v,r]
T
，对这两个坐标系建立对应的关系，通过坐标变换，得到对于水面无人船在水平面上的两个坐标系之间的关系如式(1)、(2)所示：η＝R(ψ)ν
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，x，y为水面无人船的位置坐标；u为纵荡速度，v为横荡速度，r为艏摇角速度；R(ψ)为大地坐标系到运动坐标系的旋转矩阵；ψ为艏摇角度，范围4∈(
‑
π,m)，水面无人船的运动模型如式(3)所示：M(ν)ν+C(ν)ν+D(ν)ν＝τ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中各项的表达式如下所示：τ＝[τ
u 0 τ
r
]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)(4)(4)C
23
＝
‑
C
32
＝m
11
u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中τ为控制力，R为艏摇旋转矩阵，M为惯性系数矩阵，C为科氏力和向心力矩阵，D为阻尼系数矩阵；(2)分析水面无人船在路径规划中的优化目标根据建立的水面无人船运动的数学模型，得到无人船的动力学和运动学模型，描述船舶运动规律，使用改进LOS法进行路径跟踪的控制模型如式(10)
‑
(13)所示：(13)所示：(13)所示：
其中，x
c
,y
c
，ψ
c
是跟踪误差，x
sf
,y
sf
,ψ
sf
表示目标点位姿信息，s＝ν
r
,ν
t
和ν
r
是对目标路径的垂向和切向速度分解，K(s)为参考点曲率，有：切向速度分解，K(s)为参考点曲率，有：ψ
″
ff
＝ψ
″
B
+χ
”ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)(16)(16)式中ψ
B
是船艏向；水面无人船在航行中对x
c
,y
c
，ψ
c
三个跟踪误差进行控制，对航速进行控制,使航速趋近于期望航速u，因此水面无人船路径跟踪控制的目标是使误差P
c
最小，如式(20)所示；P
c
＝(x
c
,y
c
,ψ
c
,ν
c
)
T
→0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)为使规划的扫海路径便于跟踪，当水面无人船保持航向稳定，进行直线航行时，艏向角的角速度为0，即式(20)将简化为式(21)：P
c
＝(x
c
,y
c
,ν
c
)
T
→0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)当水面无人船保持匀速直线航行时，航速V不变，将进一步简化为式(22)P
c
＝(x
c
,y
c
)
T
→0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)；(3)水面无人船局部区域自主避障策略研究在经典斥力势场函数的基础上进行改进，改进后的斥力势场函数在随着机器人接近目标点的同时，斥力会减小，如式(23)所示：其中，p
‑
p
goal
是一个矢量，表示机器人和目标点之间的欧几里德距离，方向是在机器人和目标点的连线上，由机器人指...
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