综合洋流影响和机动性约束的制造技术

综合洋流影响和机动性约束的

【技术实现步骤摘要】
综合洋流影响和机动性约束的AUV全局路径规划方法


[0001]本专利技术属于
AUV
路径规划领域，具体涉及综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法
。

技术介绍

[0002]随着对海洋资源的深度开发，自主水下航行器（
Autonomous Underwater Vehicle, AUV
）逐渐成为各国在海洋技术研发中的焦点
。AUV
可以通过路径规划方法生成一条从起始点到目标点的满足约束条件的最优或次优航行路径
。
如何在包含障碍物和洋流的水下环境中高效的规划一条安全可行的航行路径是
AUV
执行任务的关键
。
路径规划可分为环境信息已知的全局路径规划和根据传感器获取环境信息的局部路径规划，其中作为路径规划第一阶段同样是局部路径规划基础的全局路径规划，对于
AUV
的水下航行具有至关重要的意义
。
[0003]通过查阅当前国内外参考文献发现，在
2022
年公开的由金世俊
、
刘文韬发表的
《
一种基于改进
A
星算法的无人船路径规划方法
》
（专利申请号：
CN202210712060.0
）专利解决了规划的路径转折点过多的问题，但是该方法没有考虑洋流对无人船路径规划的影响；在
2023
年公开的由曹斌
、
冯冬梅发表的/>《
一种考虑洋流存在条件下的带约束四目标
AUV
全局路径规划方法
》
（专利申请号：
CN202310036874.1
）专利提出了一种考虑路径长度
、
路径安全性
、
路径平滑度
、AUV
能量消耗四个目标的全局路径规划方法，但该方法建立的平滑性目标函数仅仅使用路径节点之间的距离来评估路径的平滑性，没有考虑转折点处航向角的连续性，从而导致规划的路径不利于
AUV
跟踪；在
2019
年公开的张伟
、
王秀芳
、
陈涛
、
滕延斌等人的一篇名为
《
一种基于可搜索连续邻域
A*
算法的路径规划方法
》
（专利申请号：
CN201610867274.X
）的专利根据环境障碍物的信息确定栅格的大小，但是该方法没有进一步考虑
UUV
在相同的舵角下栅格边长对周围栅格是否可到达的影响，同时该方法将
UUV
考虑为质点，从而导致忽视了
UUV
航向角对周围栅格是否可到达的影响；在
2022
年公开的由贾知浩
、
廖煜雷
、
李晔
、
贾琪等人发表的
《
考虑海流与无人艇动力学影响的节能
A
星路径规划方法
》
（专利申请号：
CN201910041363.2
）专利结合海流影响下的无人艇动力学模型设计了能耗函数，但该方法没有进一步利用运动学
、
动力学模型考虑无人艇的机动性约束
。
[0004]综上，现有水下和水面航行器全局路径规划方法存在以下问题：
1.
现有的水下和水面航行器全局路径规划方法往往没有考虑洋流因素对能量消耗造成的影响，从而导致航行器的能耗增加
。
此外，在洋流流速较大的情况下可能会出现不可行路径
。
[0005]2.
现有的水下和水面航行器全局路径规划方法往往将航行器视为质点导致忽视了航行器航向角对路径规划的影响，而且对航行器舵角约束的问题的考虑不够充分
。
[0006]3.
目前的
A*
算法在栅格环境中搜索路径节点时往往不考虑在相同的舵角条件下栅格边长对周围栅格是否可到达的影响，从而导致在边长长的栅格中难以体现
AUV
的机动性约束
。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决
AUV
全局路径规划时，没有考虑洋流因素对能量消耗造成的影响的问题；忽视了航行器航向角对路径规划的影响，对航行器舵角约束的问题的考虑不够充分，导致规划的路径不满足
AUV
机动性约束的问题，而提出了综合洋流影响和机动性约束的
AUV
低能耗全局路径规划方法
。
[0008]综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法具体过程为：步骤一：利用栅格法生成包含路径规划区域信息的高空间分辨率栅格地图并存储在矩阵中；其中高空间分辨率栅格定义为栅格边长与
AUV
长度相同的栅格，可通行栅格用0表示，障碍物栅格用1表示并对障碍物栅格进行膨胀处理；路径规划起始点位置的栅格用2表示，路径规划目标点位置的栅格用
‑1表示；路径规划起始点起始航向角为度，其中；为航向标志位；步骤二：通过个粘性
Lamb
涡叠加的方式对洋流进行建模并存储在矩阵中，其中；步骤三：建立考虑
AUV
机动性约束的运动学
、
动力学模型，根据模型预测不同舵角下
AUV
的曲线航行路径并存储；根据模型预测的不同舵角下
AUV
的曲线航行路径将路径节点的搜索空间离散化；所述
AUV
为自主水下航行器；步骤四：将高空间分辨率栅格地图划分生成低空间分辨率栅格地图；其中低空间分辨率栅格定义为边长为高空间分辨率栅格边长5倍的栅格；步骤五：利用考虑障碍物密度的
A*
算法在低空间分辨率栅格地图上进行第一次路径规划，生成个低空间分辨率最优路径节点，将个低空间分辨率最优路径节点转换成对应的高空间分辨率栅格，确定安全可行区域；其中，所述为非负整数；步骤六：利用综合考虑能量消耗和机动性约束的
A*
算法在第一次路径规划确定的安全可行区域内进行第二次路径规划，生成满足能量消耗优化要求和
AUV
机动性约束的个高空间分辨率最优路径节点；其中，所述为非负整数；步骤七：根据第二次路径规划确定的个高空间分辨率最优路径节点，结合步骤三中的运动学模型，在每两个相邻高空间分辨率最优路径节点之间绘制满足每个高空间分辨率最优路径节点处航向要求的路径，生成具有航向角连续性的最终曲线航行路径；所述航向要求为航向角满足度，为航向标志位，
。
[0009]本专利技术的有益效果为：
1.
本专利技术在
A*
算法中加入了障碍物密度函数对
A*
算法进行改进，增加了
AUV
与障碍物的距离，提高了
AUV
航行的安全性；
2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：利用栅格法生成包含路径规划区域信息的高空间分辨率栅格地图并存储在矩阵中；其中高空间分辨率栅格定义为栅格边长与
AUV
长度相同的栅格，可通行栅格用0表示，障碍物栅格用1表示并对障碍物栅格进行膨胀处理；路径规划起始点位置的栅格用2表示，路径规划目标点位置的栅格用
‑1表示；路径规划起始点起始航向角为度，其中；为航向标志位；步骤二：通过个粘性
Lamb
涡叠加的方式对洋流进行建模并存储在矩阵中，其中；步骤三：建立考虑
AUV
机动性约束的运动学
、
动力学模型，根据模型预测不同舵角下
AUV
的曲线航行路径并存储；根据模型预测的不同舵角下
AUV
的曲线航行路径将路径节点的搜索空间离散化；所述
AUV
为自主水下航行器；步骤四：将高空间分辨率栅格地图划分生成低空间分辨率栅格地图；其中低空间分辨率栅格定义为边长为高空间分辨率栅格边长5倍的栅格；步骤五：利用考虑障碍物密度的
A*
算法在低空间分辨率栅格地图上进行第一次路径规划，生成个低空间分辨率最优路径节点，将个低空间分辨率最优路径节点转换成对应的高空间分辨率栅格，确定安全可行区域；其中，所述为非负整数；步骤六：利用综合考虑能量消耗和机动性约束的
A*
算法在第一次路径规划确定的安全可行区域内进行第二次路径规划，生成满足能量消耗优化要求和
AUV
机动性约束的个高空间分辨率最优路径节点；其中，所述为非负整数；步骤七：根据第二次路径规划确定的个高空间分辨率最优路径节点，结合步骤三中的运动学模型，在每两个相邻高空间分辨率最优路径节点之间绘制满足每个高空间分辨率最优路径节点处航向要求的路径，生成具有航向角连续性的最终曲线航行路径；所述航向要求为航向角满足度，为航向标志位，
。2.
根据权利要求1所述的综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法，其特征在于：所述步骤一中利用栅格法生成包含路径规划区域信息的高空间分辨率栅格地图并存储在矩阵中；其中高空间分辨率栅格定义为栅格边长与
AUV
长度相同的栅格，可通行栅格用0表示，障碍物栅格用1表示并对障碍物栅格进行膨胀处理；路径规划起始点位置的栅格用2表示，路径规划目标点位置的栅格用
‑1表示；路径规划起始点起始航向角为度，其中；
为航向标志位
。3.
根据权利要求2所述的综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法，其特征在于：所述步骤三中具体过程为：
AUV
受外界环境的影响会产生六自由度的运动，做出以下假设：假设一，只考虑
AUV
在俯仰角
、
偏航角及纵荡三自由度下的运动学及动力学模型；假设二，忽略洋流对
AUV
的影响；假设三，
AUV
航行时速度大小不变；建立只考虑
AUV
在俯仰角
、
偏航角及纵荡三自由度下的运动学及动力学模型：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中：为
AUV
在大地坐标系下的坐标和方向，为的一阶导数，为雅可比转换矩阵，为
AUV
在体坐标系下的速度，为的一阶导数，为系统惯性矩阵，为科里奥利向心力矩阵，为阻尼系数矩阵，为恢复力与力矩，为压载物产生的力与力矩，为作用于
AUV
的力与力矩；在路径规划起始点固定
、AUV
航速固定的情况下，将
AUV
舵角范围内的不同舵角值输入只考虑
AUV
在俯仰角
、
偏航角及纵荡三自由度下的运动学及动力学模型，生成不同舵角下
AUV
的曲线航行路径，并将不同舵角下
AUV
的曲线航行路径存储在矩阵中；根据模型预测的不同舵角下
AUV
的曲线航行路径将路径节点的搜索空间离散化
。4.
根据权利要求3所述的综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法，其特征在于：所述步骤四中将高空间分辨率栅格地图划分生成低空间分辨率栅格地图；具体过程为：步骤四一：根据矩阵中的高空间分辨率栅格信息和低空间分辨率栅格的精度生成低空间分辨率栅格信息；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）上式表示低空间分辨率栅格与对应的个高空间分辨率栅格的映射关系，其中代表低空间分辨率栅格的坐标，代表高空间分辨率栅格的坐标，代表低空间分辨率栅格的精度；步骤四二：通过比较低空间分辨率栅格中高空间分辨率障碍物栅格所占比例与设置阈值的大小来确定低空间分辨率栅格是否可通行：当时，低空间分辨率栅格不可通行；当或低空间分辨率栅格内存在起始点
、
目标点时，低空间分辨率栅格可以通行；
步骤四三：将步骤四二生成的低空间分辨率栅格是否可通行信息存储在矩阵中
。5.
根据权利要求4所述的综合洋流影响和机动性约束的
AUV
全局路径规划方法，其特征在于：所述步骤五具体过程为：步骤五一：设置和列表；步骤五二：将路径规划起始点所在的相关信息1加入到列表第一行，设置当前路径节点为空；相关信息1为息低空间分辨率栅格的列表标志位
、
拓展路径节点坐标
、
当前路径节点坐标
、
从起始点到拓展路径节点的实际代价
、
从拓展路径节点到目标点的估计代价
、
拓展路径节点对应的危险评估代价
、
评估拓展路径...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢文，曹浩浩，徐成龙，董伟，庞旭琦，
申请(专利权)人：青岛哈尔滨工程大学创新发展中心，
类型：发明
国别省市：