【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人艇航行控制领域，尤其涉及一种考虑船舶状态约束的多无人艇编队自适应含参路径规划方法。
技术介绍
1、无人水面艇的航迹规划技术是构成无人艇实现自主性能的基础，也是确保无人艇安全自主航行的前提条件，因此，无人水面艇的航迹规划技术在无人艇安全自主航行方面具有重要意义。航迹规划算法的研究起源于20世纪60年代，最初应用于移动机器人，后逐步延展至无人机、无人车、无人艇等多种自主运载工具的应用领域。
2、航迹规划算法的核心在于根据全局环境约束信息和一系列优化准则，搜索并获取连接起点和终点的全局最优航迹。典型的航迹规划算法包括采样规划算法(以快速扩展随机树算法为代表)、智能优化算法(以蚁群算法、粒子群算法为代表)以及图搜索算法(以dijkstra算法、快速步进法为代表)等。然而，目前大多数相关算法研究较少考虑到无人船的操纵特性，未对无人船进行充分建模，也未同时兼顾无人船的操纵特性、避碰效率和实用性。
3、此外，当前研究主要集中于单艘无人艇的路径规划，而对于多艘无人艇编队的路径规划涉及较少研究。现有路径规划主要集中于生成不包含曲率信息的离散路点序列，忽略了道路曲率或将其视为定值。然而，这种方法可能导致无人艇路径跟踪误差较大，可能引发系统振荡，甚至影响无人艇操控的稳定性。因此，对多无人艇编队路径规划的深入研究以及生成考虑道路曲率的连续路径成为当前研究中值得关注的方向。
技术实现思路
1、根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种考虑船舶状态约束的多无人艇编队
2、基于三次贝塞尔曲线拟合理论设计自适应分段拟合法从而对路径点的含参曲线进行拟合；
3、基于领航跟随者理论、生成考虑船舶状态约束的多无人艇编队自适应含参规划路径。
4、进一步的，对预规划的避碰环境进行建模，根据电子海图获取规划空间，建立二值地图环境模型，通过二值化图像获取海洋环境约束的详细二维信息，并以图像像素点作为栅格单元，将处理后的图像进行膨胀操作，获取规划空间m0；
5、根据无人艇运动学状态约束信息建立无人艇状态约束模型，其中无人艇运动学状态约束信息包括无人艇当前位置约束、航向约束、速度约束，在规定时间内，受限于无人艇的状态约束条件，无人艇周边区域分为可达区域和不可达区域，无人艇状态约束模型包括半圆形的船艏部分和半椭圆形的船艉部分，该模型根据本艇航速的变化改变其形状：本艇在低速航行时，其形状趋于圆形，在高速航行时趋于半圆形；
6、无人艇状态约束模型根据船艏部半径rbowusv和船艉部半长轴rsternusv、半短轴rsternusv、本艇航速u以及算法更新时间tu进行调整，其中各参数的计算公式如下：
7、其中
8、r′min＝l/2+dmin
9、在这里，r′min是状态约束模型的最小半径，它可由本艇的艇长l和设定的最小距离dmin进行计算，dmin是可调参数，用来确保本艇航速较低时，状态约束模型也具有足够的空间对规划航迹进行约束。
10、将无人艇状态约束模型加入规划空间m0中得到规划空间m1。
11、进一步的，根据不同碍航物危险程度将规划空间m0划分为基本规划层fb、状态约束模型层fs、低危碍航物层fl和高危碍航物层fh；
12、基于波源扩展原理建立如下所示的程函方程，在规划空间f*中获取各网格的最优代价值，即到达时间t*
13、|▽t*(x,y)|·v*(x,y)＝1
14、其中，(x,y)表示规划空间f*中的一点，▽t*(x,y)为到达时间t*(x,y)的梯度，v*(x,y)为波源点在(x,y)处的局部传播速度，当波的传播速度为常数时，t*(x,y)可以用于计算波源点到点(x,y)的距离；
15、基于迎风差分法将该程函方程写为下述形式：
16、
17、其中：
18、t*＝t*(x,y)
19、t*1＝min(t*(x-δx,y)，t*(x+δx,y))
20、t*2＝min(t*(x,y-δy),)t*(x,y+δy))
21、δx和δy是x和y方向上的栅格。
22、进一步的，运用快速步进法生成速度矩阵时，针对快速步进平方法中碍航物的扩展距离不可调的问题，通过改变第二次快速步进法所用的速度矩阵v*1调节生成的到达时间图t*1从而调节碍航物的扩展距离，最终实现对规划路径的长度的调整；
23、快速步进平方法原算法中运用了两次快速步进法，分别实现对规划空间中碍航物的扩展距离计算和对目标点的扩展距离计算。第一次快速步进法将规划空间作为速度矩阵v*0，令碍航物为波源，根据迎风差分法计算出到达时间图t*0，第二次快速步进法将第一次快速步进法计算出来的t*0作为速度矩阵v*1。对速度矩阵v*1的调整可以调节到达时间矩阵t*1。
24、对速度矩阵v*1的调整时：设计速度矩阵v*1的转换分为如下三个步骤：将v*1缩放到0到1的范围内；通过v*1＝min(v*1,ω)扩展安全区域，式中ω为调节参数，且ω∈[0,1]；再重复性将v*1缩放到0到1的范围内。
25、进一步的，基于迎风差分法计算各规划层的到达时间矩阵时：叠加各规划层的到达时间矩阵t*，获得最终到达时间矩阵，即扩展距离矩阵ttotal，基于扩展距离矩阵ttotal通过梯度下降法求解最优代价值，从而求解出不经过任何碍航物的全局最优路径点集。
26、进一步的，基于三次贝塞尔曲线拟合理论设计自适应分段拟合法从而对路径点的含参曲线进行拟合时：基于如下式所示的贝塞尔曲线进行拟合：
27、
28、其中，m为贝塞尔曲线阶次，q(τi)为参数τi处的差值点，pk为第k个控制点，通过对参数τi在[0,1]内取值，可以在第一个控制点p0和最后一个控制点pm之间生成任意个插值点，m＝3，其表达式为：
29、
30、
31、控制相邻两段曲线在接点处的三个控制点共线，为了实现曲线在连接点处的g1连续，需满足以下条件：
32、q3＝p0
33、p1＝p0+sbgb
34、其中，gb为方向向量，sb为待定的标量参数；
35、在路径拟合的初始阶段，令参考路径的起点设定为三次贝塞尔曲线的第一个控制点，将参考路径的终点设定为三次贝塞尔曲线的最后一个控制点，在每次曲线拟合的迭代过程中，求解各段贝塞尔曲线的中间控制点位置，求解中间控制点与原路径点对应的插值点，计算插值点与原路径点之间的残差，如本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：对预规划的避碰环境进行建模，根据电子海图获取规划空间，建立二值地图环境模型，通过二值化图像获取海洋环境约束的详细二维信息，并以图像像素点作为栅格单元，将处理后的图像进行膨胀操作，获取规划空间M0；
3.根据权利要求2所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：根据不同碍航物危险程度将规划空间M0划分为基本规划层Fb、状态约束模型层Fs、低危碍航物层Fl和高危碍航物层Fh；
4.根据权利要求1或2所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：运用快速步进法生成速度矩阵时，通过改变第二次快速步进法所用的速度矩阵V*1调节生成的到达时间图T*1，从而调节碍航物的扩展距离，最终实现对规划路径的长度的调整；
5.根据权利要求1或3所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：基于迎风差分法计算各规划层的到达时间矩阵时：叠加各规划层的到达时间矩阵T*，获得最终到达时间矩阵
6.根据权利要求1所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：
7.根据权利要求1或6所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：基于领航跟随者理论、生成考虑船舶状态约束的多无人艇编队自适应含参规划路径时：
...【技术特征摘要】
1.一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：对预规划的避碰环境进行建模，根据电子海图获取规划空间，建立二值地图环境模型，通过二值化图像获取海洋环境约束的详细二维信息，并以图像像素点作为栅格单元，将处理后的图像进行膨胀操作，获取规划空间m0；
3.根据权利要求2所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：根据不同碍航物危险程度将规划空间m0划分为基本规划层fb、状态约束模型层fs、低危碍航物层fl和高危碍航物层fh；
4.根据权利要求1或2所述的一种多无人艇编队自适应含参路径规划方法，其特征在于：运用快速步进法生成速度矩阵时，通过改变第二次快速步...
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