一种基于可达集的无人艇最优路径规划方法技术

本发明专利技术提供了一种基于可达集的无人艇最优路径规划方法，包括以下步骤：建立可达集、可达集的水平集确定、建立齐诺多面体、路径的生成和优化，本发明专利技术的方法是一种以后向可达集为约束的自主无人艇最优路径规划方法，将目标船舶预期的行为状态可视化，确定具有不确定系统输入和运行状态的自主船舶安全区域，解决路径自动生成和评价难题，结合直接搜索算法的优势，提升算法的可靠性和安全性。提升算法的可靠性和安全性。提升算法的可靠性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可达集的无人艇最优路径规划方法


[0001]本专利技术涉及路径规划
，尤其涉及一种基于可达集的无人艇最优路径规划方法。

技术介绍

[0002]我国是海洋大国，也是航运大国，随着海洋强国战略不断的贯彻与深化、世界经济增长和贸易的发展，我国的航运事业日益繁荣。水上交通运输业快速发展，船舶数量也在不断的增多，由于水上运输环境复杂多样，风、浪、流和各类障碍物等会直接或间接影响船舶的安全航行，甚至会造成一系列的交通安全、通航效率等问题，从而影响船舶航运的经营效益。面对日益激烈的航运竞争形势，高效、安全、可控地完成航运任务的要求日益突出。
[0003]船舶在航行过程中往往会受到各种不同的水域环境及气象因素的影响，恶劣的海况与天气直接威胁船舶航行安全，导致船舶遇险，船期延误以及延伸性经济损失，这便对路径规划技术提出了更高的要求。路径规划是船舶智能导航系统的关键技术之一，即根据气象、海况等自然条件、船体状态、舰船运动性能、主机性能等，基于一定的评价标准，决定舰船航行的最佳航行计划。
[0004]早在20世纪50年代气象定线就已应用在船舶路径规划领域，船舶通过利用航行过程中的海洋水文工况条件，根据航行海区准确的天气与海况预报，并结合被导航船舶的性能、船型装载情况、航行要求和航海经验制定航线。但是这类航线制定方法相对粗糙，自动化程度不高，难以满足现代化航运的需求。随着现代计算技术的发展，无人艇成为网络化无人系统中的重要节点，对海洋资源开发和国家海洋权益维护具有重要的意义，受到世界各海上强国的高度重视。同时无人驾驶船舶的路径自动规划方法的研究日益增加并逐渐成为主流，基于A*算法、Di jkstra算法、二叉树算法、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、粒子群算法等及其它们的组合可实现路径的自动规划，这些算法虽然应用较多，但大多重点研究理想路径生成，考虑船舶自身影响航行的因素不够全面，对于船舶自身的运动特性大多未考虑，从而导致船舶初始状态改变一次就需要重新判断一次，并且每次计算结果都不可能覆盖船舶所有的不确定状态，因此船舶安全性不能从理论上得到保证，影响路径的实际使用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种以后向可达集为约束的自主无人艇最优路径规划算法。在考虑目标船舶运动学特性的前提下，通过整合目标参数数据，提出一种以后向可达集的变化范围作为路径规划算法的约束条件，将目标船舶预期的行为状态可视化，确定具有不确定系统输入和运行状态的自主船舶安全区域，解决路径自动生成和评价难题，结合直接搜索算法的优势，提升路径规划方法的可靠性和安全性。
[0006]其中，本专利技术中船舶运动学特性主要指无人艇的操纵性、改向性以及稳定性等运动学特征；参数数据指目标无人艇的KT性能指数、运动速度方向等参数。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于可达集的无人艇最优路径规划方法，包括：
[0008]S1：针对无人艇的运行特性，构建目标船舶的运动学方程，通过穷举目标船舶行为状态的方式计算出目标船舶机动行为状态的可达集，系统在某一时刻t的可达集是指从初始状态出发，在t时刻能够达到的所有状态的集合；
[0009]S2：使用水平集表达目标船舶可达集的演化过程，当水平集演化趋于平稳时，得到系统状态动态变化的边界，并根据系统状态动态变化的边界确定可达集的范围；
[0010]S3：采用齐诺多面体对可达集进行建模，并进行可视化展示，具体为：使用齐诺多面体作为集合表达形式，用于表达目标的可达集，从而描述无人艇系统中的不确定变量；
[0011]S4：将可视化后的可达集放置在对应的栅格地图中，对应的可达集范围在栅格地图上以障碍物的形式存在，基于直接搜索路径算法进行网格搜索并实现路径规划。
[0012]在一种实施方式中，步骤S1包括：
[0013]针对无人艇在不确定小扰动下的运行特性，采用一组含不确定项的一阶线性微分方程描述无人艇系统运动方程，无人艇系统运动方程为：
[0014][0015]其中，表示状态变量对时间的一阶导数，x∈R
n
为系统的状态向量；A∈R
n
×
n
为系统状态矩阵；x(t)为状态变量；u(t)为不确定输入量；为不确定输入集合；t∈[t0,t
f
],t0和t
f
分别为动态系统的初始时刻和终点时刻，且t0<t
f
；
[0016]以集合形式表达系统的输入与状态变量，采用小仿真步长，在每个仿真区间上根据线性微分方程计算系统在区间内的可达集，最终得到系统在整个时间段上的可达集。
[0017]在一种实施方式中，以集合形式表达系统的输入与状态变量，采用小仿真步长，在每个仿真区间上根据线性微分方程计算系统在区间内的可达集，最终得到系统在整个时间段上的可达集，包括：
[0018]从t
k
时刻的可达集出发，不考虑不确定输入的影响，计算由系统的齐次解所形成的可达集
[0019]计算由不确定输入产生的特解形成的可达集得到t
k+1
时刻的可达集
[0020]计算首末两个时刻可达集的凸包，作为仿真区间τ
k
上可达集的近似解，基于近似解计算出无人艇系统随时间变化的可达集
[0021][0022]其中，x(0)表示方程的初始状态，表示方程的初始状态集合，可达集的上标e表示实际可达集的准确值，f(t,x(0),u(
·
))为无人艇系统运动方程的近似解。
[0023]在一种实施方式中，步骤S2包括：
[0024]使用水平集数值技术将目标速度场进行隐式曲面的演变，将目标可达集界面的演化扩充到高一维的空间，同时将可达集看成高一维空间中某一函数的零水平集；
[0025]将水平集函数按照所满足的演化方程进行迭代，当水平集演化趋于平稳时，得到无人艇系统状态动态变化的边界，确定具有不确定系统输入和运行状态的自主无人艇安全
区域。
[0026]在一种实施方式中，步骤S4包括：
[0027]设置规划的起点S以及终点E，从起点开始，计算起点到终点的移动代价F；
[0028]以起点为父节点对每一个邻居点进行搜索，计算起点到邻居点所需要的移动消耗G、邻居点到终点的预计消耗H，并根据公式F
’
＝G+H计算邻居点的移动代价F
’
；
[0029]如果F
’
小于F，则将F更新为F
’
，在每一次更新的时候选择F值最小的点作为下一个扩展点去探索路径，重复搜索步骤直到达到终点，路径规划过程结束，从起点开始，每个方格沿着父节点移动直至起点，则为规划出的目标路径。
[0030]本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
[0031]1.传统的路径规划大多基于航行环境的单一参数评价，并未考虑因船舶运动学特性而导致的运动不可达的情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可达集的无人艇最优路径规划方法，其特征在于，包括：S1：针对无人艇的运行特性，构建目标船舶的运动学方程，通过穷举目标船舶行为状态的方式计算出目标船舶机动行为状态的可达集，系统在某一时刻t的可达集是指从初始状态出发,在t时刻能够达到的所有状态的集合；S2：使用水平集表达目标船舶可达集的演化过程，当水平集演化趋于平稳时，得到系统状态动态变化的边界，并根据系统状态动态变化的边界确定可达集的范围；S3：采用齐诺多面体对可达集进行建模，并进行可视化展示，具体为：使用齐诺多面体作为集合表达形式，用于表达目标的可达集，从而描述无人艇系统中的不确定变量；S4：将可视化后的可达集放置在对应的栅格地图中，对应的可达集范围在栅格地图上以障碍物的形式存在，基于直接搜索路径算法进行网格搜索并实现路径规划。2.如权利要求1所述的无人艇最优路径规划方法，其特征在于，步骤S1包括：针对无人艇在不确定小扰动下的运行特性，采用一组含不确定项的一阶线性微分方程描述无人艇系统运动方程，无人艇系统运动方程为：其中，表示状态变量对时间的一阶导数，x∈R
n
为系统的状态向量；A∈R
n
×
n
为系统状态矩阵；x(t)为状态变量；u(t)为不确定输入量；为不确定输入集合；t∈[t0,t
f
],t0和t
f
分别为动态系统的初始时刻和终点时刻,且t0<t
f
；以集合形式表达系统的输入与状态变量，采用小仿真步长，在每个仿真区间上根据线性微分方程计算系统在区间内的可达集，最终得到系统在整个时间段上的可达集。3.如权利要求2所述的无人艇最优路径规划方法，其特征在于，以集合形式表达系统的输入与状态变量，采用小仿真步长，在每个仿真区间上根据线性微分方程计算系统在区...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱曼，张家辉，文元桥，魏耿全，杨君兰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：