面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法及系统，该方法包括：目标区域划分，自适应方向优先级选取，动态障碍物避碰，回溯路径优化和复杂海况下自适应方向优先级策略。本发明专利技术引入了方向优先级、离散回溯法，并在多艇规划算法中通过聚类算法进行子区域划分，有效地减少单/多无人船艇协同覆盖过程中回溯次数，减少了整体覆盖路径长度；针对存在动态障碍物的环境，设计了动态障碍物膨化方法、转向机制和等待机制，提升了存在动态障碍物的环境下无人船艇覆盖作业的效率和安全性；针对存在风、浪、流扰动的环境，提出了无人船艇方向优先级优化机制，提升了风、浪、流干扰环境下无人船艇覆盖作业的效率和安全性。全性。全性。

【技术实现步骤摘要】
面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法及系统


[0001]本专利技术属于覆盖路径规划领域，具体涉及一种面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法及系统。

技术介绍

[0002]海洋占地表面积70％以上，拥有大量的自然资源，是全球国家和地区研究与开发的重心。海洋勘测作业则是构建海洋信息化发展体系的基础性工作，对海洋资源开发具有重大的社会意义和经济意义。不论是海洋测深、砂石开采或是海底探矿，其工作中至关重要的第一步便是要合理设计海洋的覆盖路径。
[0003]目前，传统路径覆盖方式在环境复杂、航行条件恶劣的水域作业有较大的风险与较高的成本。因为大型船舶吃水较深、吨位较大，不适合执行覆盖任务；小型船舶抵抗风浪的性能较差，作业危险性高，续航能力差；潜标和浮标虽可在恶劣环境下长期工作，但其缺乏机动性，成本较高。
[0004]随着新时期科学技术的发展，人工智能技术和无人系统成为当前研究的热点，为海洋的探索提供了新的思路。无人船艇相较于传统的测量船艇具有更高的机动性、安全性和经济性，能够提升海洋测量的作业效率，减小安全风险，节约作业成本。最初无人船艇主要应用在军事领域，如协助执行警戒巡逻、情报收集等战术支持任务。但在近几年，无人船艇也被广泛应用到民用领域，如完成水体探测、海上搜救和海底打捞等任务，具有十分可观的经济价值和实用价值。
[0005]而且，在礁石、浅滩、群岛等航行困难水域，风、浪、流等外界环境因素多变，碍航物多且密集，对船舶航行有较大影响；利用传统测量船艇进行覆盖作业安全风险较大，且受限于船舶操纵性能，作业效率较低。而无人船艇体积小、操纵性能优良、机动性较高，是理想的作业工具，故无人船艇覆盖路径规划研究已成为当前至关重要的工作。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，提供一种面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法及系统，解决无人船艇覆盖路径规划中的障碍物及外界环境干扰问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法，包括以下步骤：
[0008]S1、目标区域划分
[0009]目标区域划分包括目标区域权值处理和子区域中心迭代；其中，目标区域权值处理综合考量复杂水面环境以对覆盖水域进行权值处理，即将目标水域进行栅格划分，并通过自适应规则对连续相邻无障碍物的栅格点赋予较高的权值，对障碍物所在的栅格点及其周围的栅格点和含不规则区域的栅格点赋予较低的权值；子区域中心迭代通过迭代计算不同子区域中心权值，将目标水域划分成与无人船艇数量相等的多个子区域，无人船艇与子区域一一对应；
[0010]S2、自适应方向优先级选取
[0011]自适应方向优先级选取包括起始位置方向判定和方向优先级规则；起始位置方向判定用于判断无人船艇起始点位置在目标子区域的起始点方向；方向优先级规则用于结合无人船艇的起始点方向判定无人船艇在目标子区域任意起始点的方向优先级，以开展覆盖路径工作；其中，方向优先级规则如下：
[0012](1)趋近起始点方向且顺应目标子区域整体方向的正方向位于第一优先级；
[0013](2)趋近起始点方向的剩余正方向位于第二优先级；
[0014](3)趋近起始点方向的斜方向位于第三优先级；
[0015](4)顺应目标区域整体方向且远离起始点方向的正方向位于第四优先级；
[0016](5)第二优先级的正方向与第四优先级的正方向中间的斜方向位于第五优先级；
[0017](6)远离起始点方向的剩余正方向位于第六优先级；
[0018](7)第一优先级正方向与第六优先级正方向中间的斜方向位于第七优先级；
[0019](8)第二优先级正方向与第六优先级正方向中间的斜方向位于第八优先级；
[0020]S3、动态障碍物避碰
[0021]动态障碍物避碰包括障碍物膨化、无人船艇转向和无人船艇暂停等待；障碍物膨化为对动态障碍物进行膨化处理，以给无人船艇转向空间与反应时间；无人船艇转向为应对进入警示范围的动态障碍物，通过方向优先级规则进行转向；无人船艇暂停等待为应对特殊条件下无人船艇陷入死点进行暂停等待；
[0022]S4、回溯
[0023]S5、杂海况下自适应方向优先级策略
[0024]计算无人船艇在外界环境因素干扰下所受合外力
[0025]设第i个无人船艇承受干扰的阈值为Φ
i
，当时，视为无人船艇处于危险状态，无人船艇改变覆盖方向优先级；当时，视为无人船艇处于安全状态，无人船艇继续按照既定的方向优先级规划；
[0026]当无人船艇所受合外力的方向接近无人船艇的艏艉线方向时，船艇处于较为安全的状态，当无人船艇所受合外力的方向接近无人船艇的侧舷方向时，船艇处于较为危险的状态，此时保持无人船艇顺应合外力方向或逆合外力方向航行；设计外界环境因素干扰下的无人船艇覆盖方向优先级规则如下：
[0027](1)在方向优先级规则基础上，分别与无人船艇所受外界环境干扰的合力方向和合力方向反方向最为接近的2个方向分别位于第一优先级和第二优先级，且上述2个方向之间优先级顺序不变；
[0028](2)第三优先级方向到第六优先级方向按照方向优先级规则排列。
[0029]进一步的，子区域中心迭代具体包括：
[0030]1、构建栅格化目标水域样本空间Z
i
，并从中随机选取1个样本作为初始子区域中心；
[0031]2、计算每个样本与当前已有子区域中心之间的最短权值距离T(Z
i
)D(x)；其中，T(Z
i
)为样本对应的权值，D(x)为样本与子区域中心之间的距离；
[0032]3、计算每个样本被选为下一个子区域中心的概率，并按照轮盘法选择出下一个子区域中心；
[0033]4、重复第2步和第3步直至选择出共K个子区域中心；其中，K为多无人船艇的数量；
[0034]5、计算每个样本X
i
到K个子区域中心的权值距离T(Z
i
)D(x)；
[0035]6、将每个样本分配到权值距离最小的子区域中心所对应的类中；
[0036]7、重新计算每个类的子区域中心；
[0037]8、重复第5步、第6步和第7步直至聚类中心的位置不再变化；
[0038]9、输出最终子区域中心和每类的最终样本。
[0039]进一步的，起始位置方向判定具体包括：
[0040]设无人船艇起始点位置坐标为(m，n)，无人船艇所在目标子区域的横纵栅格数为N
L
和N
P
，则：
[0041](1)N
L
为偶数，N
P
为偶数
[0042]若m≤(N
P
/2)
‑
1，n≤(N
L
/2)
‑
1，则起始点方向为NW；
[0043]若m≥N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、目标区域划分所述目标区域划分包括目标区域权值处理和子区域中心迭代；其中，所述目标区域权值处理综合考量复杂水面环境以对覆盖水域进行权值处理，即将目标水域进行栅格划分，并通过自适应规则对连续相邻无障碍物的栅格点赋予较高的权值，对障碍物所在的栅格点及其周围的栅格点和含不规则区域的栅格点赋予较低的权值；所述子区域中心迭代通过迭代计算不同子区域中心权值，将目标水域划分成与无人船艇数量相等的多个子区域，无人船艇与子区域一一对应；S2、自适应方向优先级选取所述自适应方向优先级选取包括起始位置方向判定和方向优先级规则；所述起始位置方向判定用于判断无人船艇起始点位置在目标子区域的起始点方向；所述方向优先级规则用于结合无人船艇的起始点方向判定无人船艇在目标子区域任意起始点的方向优先级，以开展覆盖路径工作；其中，所述方向优先级规则如下：(1)趋近起始点方向且顺应目标子区域整体方向的正方向位于第一优先级；(2)趋近起始点方向的剩余正方向位于第二优先级；(3)趋近起始点方向的斜方向位于第三优先级；(4)顺应目标区域整体方向且远离起始点方向的正方向位于第四优先级；(5)第二优先级的正方向与第四优先级的正方向中间的斜方向位于第五优先级；(6)远离起始点方向的剩余正方向位于第六优先级；(7)第一优先级正方向与第六优先级正方向中间的斜方向位于第七优先级；(8)第二优先级正方向与第六优先级正方向中间的斜方向位于第八优先级；S3、动态障碍物避碰所述动态障碍物避碰包括障碍物膨化、无人船艇转向和无人船艇暂停等待；所述障碍物膨化为对动态障碍物进行膨化处理，以给无人船艇转向空间与反应时间；所述无人船艇转向为应对进入警示范围的动态障碍物，通过所述方向优先级规则进行转向；所述无人船艇暂停等待为应对特殊条件下无人船艇陷入死点进行暂停等待；S4、回溯S5、杂海况下自适应方向优先级策略计算无人船艇在外界环境因素干扰下所受合外力设第i个无人船艇承受干扰的阈值为Φ
i
，当时，视为无人船艇处于危险状态，无人船艇改变覆盖方向优先级；当时，视为无人船艇处于安全状态，无人船艇继续按照既定的方向优先级规划；当无人船艇所受合外力的方向接近无人船艇的艏艉线方向时，船艇处于较为安全的状态，当无人船艇所受合外力的方向接近无人船艇的侧舷方向时，船艇处于较为危险的状态，此时保持无人船艇顺应合外力方向或逆合外力方向航行；设计外界环境因素干扰下的无人船艇覆盖方向优先级规则如下：
(1)在方向优先级规则基础上，分别与无人船艇所受外界环境干扰的合力方向和合力方向反方向最为接近的2个方向分别位于第一优先级和第二优先级，且上述2个方向之间优先级顺序不变；(2)第三优先级方向到第六优先级方向按照方向优先级规则排列。2.根据权利要求1所述的面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法，其特征在于，所述子区域中心迭代具体包括：1、构建栅格化目标水域样本空间Z
i
，并从中随机选取1个样本作为初始子区域中心；2、计算每个样本与当前已有子区域中心之间的最短权值距离T(Z
i
)D(x)；其中，T(Z
i
)为样本对应的权值，D(x)为样本与子区域中心之间的距离；3、计算每个样本被选为下一个子区域中心的概率，并按照轮盘法选择出下一个子区域中心；4、重复第2步和第3步直至选择出共K个子区域中心；其中，K为多无人船艇的数量；5、计算每个样本X
i
到K个子区域中心的权值距离T(Z
i
)D(x)；6、将每个样本分配到权值距离最小的子区域中心所对应的类中；7、重新计算每个类的子区域中心；8、重复第5步、第6步和第7步直至聚类中心的位置不再变化；9、输出最终子区域中心和每类的最终样本。3.根据权利要求1所述的面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法，其特征在于，所述起始位置方向判定具体包括：设无人船艇起始点位置坐标为(m，n)，无人船艇所在目标子区域的横纵栅格数为N
L
和N
P
，则：(1)N
L
为偶数，N
P
为偶数若m≤(N
P
/2)
‑
1，n≤(N
L
/2)
‑
1，则起始点方向为NW；若m≥N
P
/2，n≤(N
L
/2)
‑
1，则起始点方向为NE；若m≤(N
P
/2)
‑
1，n≥N
L
/2，则起始点方向为SW；若m≥N
P
/2，n≥N
L
/2，则起始点方向为SE；(2)N
L
为奇数，N
W
为奇数若m≤(N
P
‑
1)/2，n≤(N
L
‑
1)/2，则起始点方向为NW；若m≥(N
P
+1)/2，n≤(N
L
‑
1)/2，则起始点方向为NE；若m≤(N
P
‑
1)/2，n≥(N
L
+1)/2，则起始点方向为SW；若m≥(N
P
+1)/2，n≥(N
L
+1)/2，则起始点方向为SE；(3)N
L
为奇数，N
W
为偶数若m≤(N
P
/2)
‑
1，n≤(N
L
‑
1)/2，则起始点方向为NW；若m≥N
P
/2，n≤(N
L
‑
1)/2，则起始点方向为NE；若m≤(N
P
/2)
‑
1，n≥(N
L
+1)/2，则起始点方向为SW；若m≥N
P
/2，n≥(N
L
+1)/2，则起始点方向为SE；(4)N
L
为偶数，N
W
为奇数若m≤(N
P
‑
1)/2，n≤(N
L
/2)
‑
1，则起始点方向为NW；若m≥(N
P
+1)/2，n≤(N
L
/2)
‑
1，则起始点方向为NE；
若m≤(N
P
‑
1)/2，n≥N
L
/2，则起始点方向为SW；若m≥(N
P
+1)/2，n≥N
L
/2，则起始点方向为SE。4.根据权利要求1所述的面向动态环境干扰的多无人船艇覆盖路径规划方法，其特征在于，在所述方向优先级规则中引入路径平滑度评价指标α
z
：首先设置一个方向平滑度惩罚值α，并规定两个方向之间夹角为0
°
时，α＝0，两个方向之间夹角为45
°
时，α＝1，两个方向之间夹角为90
°
时，α＝2，两个方向之间夹角为135
°
时，α＝3，两个方向之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：马勇，胡文韬，曹成，张鹏，王京，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：