能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法、系统及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法、系统及装置，该方法包括：确定巡逻船的参数和海域地图；将海域地图建模为方形栅格地图；确定巡逻船的任务区域；以往返式覆盖法对任务区域进行一步扫描，实时判断是否达到预设覆盖率，若否，判断是否需要充电，若否，判断当前所处的未覆盖区域是否完全覆盖，若完全覆盖或未完全覆盖且路径陷入死角，则利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前位置曼哈顿距离最小的未覆盖区域，以往返式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并实时判断是否达到预设覆盖率和是否需要充电。本发明专利技术能满足能源约束下的预设优化目标和海域地图覆盖率的双重要求，实现巡逻船航行路径自动规划，提高巡逻效率。高巡逻效率。高巡逻效率。

【技术实现步骤摘要】
能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法、系统及装置


[0001]本专利技术涉及海域巡查
，尤其涉及一种能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法、系统及装置。

技术介绍

[0002]目前，在海洋巡逻和海域监控方面，虽然可以配备专业化的海防力量来执行相关任务，例如配备一定数量的巡逻飞机、巡逻船等，但是面对大范围的海洋巡逻与监控任务，传统的海洋巡逻与监控模式很难做到高效率，且存在人员、装备运维成本高等问题。
[0003]随着智能制造技术的大力发展，以无人机、无人船、无人潜水器为代表的低成本装备逐渐走向成熟，并在军事作战与反恐、资源勘探、水质检测与治理及水上搜救等领域开始实际应用，这为基于无人装备开展海洋巡逻与海域监控提供了重要借鉴作用。相比于传统的海洋巡逻与监控模式，无人装备的应用能够大大提供工作效率，极大地缩小海洋区域巡逻监控的时间，并减少人员、能源等运营成本，同时规避人员在危险海域执行任务的风险，拥有更具前景的应用价值和经济价值。然而，目前针对无人巡逻船的巡逻路径规划的研究较少，缺乏能够应用于无人巡逻船的航行路径规划方法，导致无人巡逻船的应用受到极大限制。并且，现有的航行路径规划方法没有考虑无人巡逻船的能源约束问题，没有考虑无人巡逻船在巡查过程中需要频繁返航充电对整个航行路径的影响。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本专利技术提供一种能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法、系统及装置。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]第一方面，提供了一种能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]S1，确定巡逻船的数量、巡逻船的航速、巡逻船的扫描宽度、巡逻船电池的续航里程数和待巡逻的海域地图；
[0008]S2，将海域地图建模为方形栅格地图，并确定障碍物区域和待覆盖区域，其中，障碍物区域表示所有存在障碍物的方形栅格构成的区域，待覆盖区域表示所有未存在障碍物的方形栅格构成的区域；
[0009]S3，根据巡逻船的数量和预设优化目标，对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域；
[0010]S4，确定任务区域的覆盖率是否达到预设覆盖率，若是，则结束路径规划，若否，则执行步骤S5；
[0011]S5，利用广度优先搜索算法寻找离巡逻船当前位置最近的充电点，确定最短路径，根据最短路径的里程数和巡逻船电池的剩余里程数，确定巡逻船是否需要充电，若是，则执行步骤S6，若否，则执行步骤S8；
[0012]S6，从当前位置沿最短路径到达最近的充电点进行充电；
[0013]S7，在充电结束后，沿最短路径返回原位置，或者，
[0014]在充电结束后，利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前所在位置曼哈顿距离最小的任务区域的未覆盖区域，确定最短路径，从当前充电位置沿最短路径到达最近的未覆盖区域；
[0015]S8，确定当前巡逻船所处的未覆盖区域是否完全覆盖，若是，则执行步骤S9，若否，则执行步骤S10；
[0016]S9，利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前位置曼哈顿距离最小的任务区域的未覆盖区域，确定最短路径，从当前位置沿最短路径到达最近的未覆盖区域，以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并返回步骤S4；
[0017]S10，确定覆盖路径是否陷入死角，若是，则利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前位置曼哈顿距离最小的任务区域的未覆盖区域，确定最短路径，从当前位置沿最短路径到达最近的未覆盖区域，以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并返回步骤S4，若否，则继续以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并返回步骤S4；
[0018]其中，在每航行一步后，均实时判断任务区域的覆盖率是否达到预设覆盖率，若是，则结束路径规划；
[0019]其中，在每航行一步后，均实时判断巡逻船是否需要充电，若是，则直接返回步骤S6。
[0020]在一些可能的实现方式中，方形栅格的宽度等于巡逻船的扫描宽度。
[0021]在一些可能的实现方式中，当巡逻船的数量为1个时，巡逻船的任务区域为待覆盖区域。
[0022]在一些可能的实现方式中，设定巡逻船的数量为大于1个，设定预设优化目标为完成待覆盖区域覆盖的所需时间最短，采用对待覆盖区域进行面积近似的等量切分方式对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域。
[0023]在一些可能的实现方式中，采用对待覆盖区域进行面积近似的等量切分方式对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域，包括：
[0024]从方形栅格地图左侧的第一列栅格开始逐列向右扫描或者从方形栅格地图右侧的第一列栅格开始逐列向左扫描，将扫描过的每列的待覆盖的栅格面积进行累加，当扫描到第c
i
列时累加的待覆盖的栅格面积之和S
i
满足时，将第c
i
‑1+1列到第c
i
列对应的待覆盖区域划分为第i个巡逻船的任务区域，其中，i＝1，2，...n，c0＝0，S
ω
表示待覆盖区域的总面积，n表示巡逻船的数量。
[0025]在一些可能的实现方式中，采用对待覆盖区域进行面积近似的等量切分方式对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域，包括：
[0026]从方形栅格地图上侧的第一行栅格开始逐行向下扫描或者从方形栅格地图下侧的第一行栅格开始逐行向上扫描，将扫描过的每行的待覆盖的栅格面积进行累加，当扫描到第h
i
行时累加的待覆盖的栅格面积之和R
i
满足时，将第h
i
‑1+1行到第h
i
行对应的待覆盖区域划分为第i个巡逻船的任务区域，其中，i＝1，2，...n，h0＝0，S
ω
表示待覆
盖区域的总面积，n表示巡逻船的数量。
[0027]第二方面，还提供了一种能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划系统，所述系统包括：
[0028]参数确定模块，用于确定巡逻船的数量、巡逻船的航速、巡逻船的扫描宽度、巡逻船电池的续航里程数和待巡逻的海域地图；
[0029]栅格地图生成模块，用于将海域地图建模为方形栅格地图，并确定障碍物区域和待覆盖区域；
[0030]区域划分模块，用于根据巡逻船的数量和预设优化目标，对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域；
[0031]区域路径规划模块，用于以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对任务区域及任务区域的未覆盖区域进行扫描；
[0032]覆盖情况判断模块，用于实时判断任务区域的覆盖率是否达到预设覆盖率；
[0033]充电判断模块，用于利用广度优先搜索算法寻找离巡逻船当前位置最近的充电点，确定最短路径，根据最短路径的里程数和巡逻船电池的剩余里程数实时判断确定巡逻船是否需要充电；
[0034]充电路径规划模块，用于在需要充电时，利用广度优先搜索算法寻找本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1，确定巡逻船的数量、巡逻船的航速、巡逻船的扫描宽度、巡逻船电池的续航里程数和待巡逻的海域地图；S2，将海域地图建模为方形栅格地图，并确定障碍物区域和待覆盖区域，其中，障碍物区域表示所有存在障碍物的方形栅格构成的区域，待覆盖区域表示所有未存在障碍物的方形栅格构成的区域；S3，根据巡逻船的数量和预设优化目标，对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域；S4，确定任务区域的覆盖率是否达到预设覆盖率，若是，则结束路径规划，若否，则执行步骤S5；S5，利用广度优先搜索算法寻找离巡逻船当前位置最近的充电点，确定最短路径，根据最短路径的里程数和巡逻船电池的剩余里程数，确定巡逻船是否需要充电，若是，则执行步骤S6，若否，则执行步骤S8；S6，从当前位置沿最短路径到达最近的充电点进行充电；S7，在充电结束后，沿最短路径返回原位置，或者，在充电结束后，利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前所在位置曼哈顿距离最小的任务区域的未覆盖区域，确定最短路径，从当前充电位置沿最短路径到达最近的未覆盖区域；S8，确定当前巡逻船所处的未覆盖区域是否完全覆盖，若是，则执行步骤S9，若否，则执行步骤S10；S9，利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前位置曼哈顿距离最小的任务区域的未覆盖区域，确定最短路径，从当前位置沿最短路径到达最近的未覆盖区域，以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并返回步骤S4；S10，确定覆盖路径是否陷入死角，若是，则利用广度优先搜索算法寻找与巡逻船当前位置曼哈顿距离最小的任务区域的未覆盖区域，确定最短路径，从当前位置沿最短路径到达最近的未覆盖区域，以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并返回步骤S4，若否，则继续以往返式覆盖法或螺旋式覆盖法对未覆盖区域进行一步扫描，并返回步骤S4；其中，在每航行一步后，均实时判断任务区域的覆盖率是否达到预设覆盖率，若是，则结束路径规划；其中，在每航行一步后，均实时判断巡逻船是否需要充电，若是，则直接返回步骤S6。2.根据权利要求1所述的能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法，其特征在于，方形栅格的宽度等于巡逻船的扫描宽度。3.根据权利要求1所述的能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法，其特征在于，当巡逻船的数量为1个时，巡逻船的任务区域为待覆盖区域。4.根据权利要求1所述的能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法，其特征在于，设定巡逻船的数量为大于1个，设定预设优化目标为完成待覆盖区域覆盖的所需时间最短，采用对待覆盖区域进行面积近似的等量切分方式对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的
任务区域。5.根据权利要求4所述的能源约束下的巡逻船区域覆盖路径规划方法，其特征在于，采用对待覆盖区域进行面积近似的等量切分方式对待覆盖区域进行划分，确定每个巡逻船的任务区域，包括：从方形栅格地图左侧的第一列栅格开始逐列向右扫描或者从方形栅格地图右侧的第一列栅格开始逐列向左扫描，将扫描过的每列的待覆盖的栅格面积进行累加，当扫描到第c
i
列时累加的待覆盖的栅格面积之和S
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝飞，王凯，王慎执，方宇晨，董俭萌，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：