[发明专利]一种基于边界值问题的滚动航路规划方法

说明书

技术领域

本发明属于航路规划领域，具体地说是涉及一种基于边界值问题的滚动航路规划方法。

背景技术

航路规划是影响智能体自主行为的关键技术，一直受到各方面的高度重视，经过几十年的研究和发展，取得了大量研究成果，为目前智能体的大发展奠定了基础。航路规划能力是智能体自主性和智能性的重要标志，经过多年的研究与发展形成了众多分支，其中一个研究热点就是航路的实时性和最优性问题，这类问题属于动态航路规划，有的也称为实时规划与重规划。

目前见诸文献的航路规划方法有：基于图形的规划方法、决策型搜索方法、随机搜索方法和人工势场法等。以Voronoi图法和Probabilistic Roadmap Method(PRM)法为代表的基于图形的方法存在组合爆炸的问题，因此不是很适合跟踪运动目标的实时规划。虽然A*和D*可以通过算法的改进从而改善实时性，但是这种改进的能力也是有限的，即算法的结构限制了计算的效率。它们均有一定的拓扑能力，规划出的航路具备一定最优性，但是很难满足实时性要求。在随机型搜索方法中，通过重新编码和改进进化算子能够使遗传算法能够满足实时规划的要求，但是仍然需要额外的工作来解决过早收敛和试凑调参的问题。许多研究表明，这些问题同样存在于蚁群算法和粒子群算法。这些方法的另一个共同特点是需要网格建模来描述环境，而网格模型设计的不合理会导致航路曲率较大。

势场法在航路的平滑性上具有很强的优势，因为大多数势场法把物体的运动看成是作用力的结果，而作用力通常是连续的，并不需要地形的网格化，因此避免了航路被离散成航路点。势场法除了航路平滑以外实时性也很高，尤其在复杂地形中表现明显。模拟退火算法和电荷法属于传统的势场法，必须要忍受局部极小，这也是调和场类的方法存在的共同问题。流函数法借鉴流体力学的概念建立势场区域，并被证明能够避免局部极小，通过对单个障碍的流函数加权求和能够解决障碍物接触时的路径规划问题，之后该方法被进一步扩展到了三维。虽然具有诸多优势，但由于流体概念的限制，流函数法存在驻点，可能引起规划终止。

航路规划方法中经常会遇到实时性与最优性的冲突问题，实时性体现了一种动态的时变特性，因此每个时刻拥有一个最优解，在无法预知和对这种时变特性建模的情况下，很难求得patrol最优解。如何能够在存在运动目标的动态情况下，在保证实时性的前提下兼顾最优性，达到实时性和最优性的折中，是设计动态航路规划系统时需要面对的一个问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于边界值问题的滚动航路规划方法，通过该方法能够在跟踪运动目标的情况下，快速的生成一条具有局部最优特性的航路。

本发明的技术方案为一种基于边界值问题的滚动航路规划方法，其首先根据进行地形网格建模，之后采用滚动规划策略，将全局最优近似分解为每个时域窗口的局部最优，在每个时域窗口内求解边界值问题得到局部最优解；再利用直线-视线方法设计时域窗口的子目标，并在滚动窗口内完成了势场更新与航路计算；具体包括如下步骤：

步骤一：根据不同对象的物理约束，进行陷阱地形预处理；

在航路规划前需要根据使用对象的转弯半径R₀，针对陷阱区域进行预处理；如果智能体无法在凹字形区域完成180°转弯，则预处理后凹字形区域将被填充；所述转弯半径为智能体的特定物理约束用数学公式的描述；

步骤二：建立栅格化地形模型，进行栅格坐标转换；

将长和宽分别为length和width的实际地形进行栅格化，并在计算机中存储为i行j列的矩阵A；通过栅格坐标的转换，建立了离散后的网格地形与实际地形的一一对应关系；

当已知实际地形中的位置(x,y)，根据式(1)计算出该位置所对应的计算机存储中的元素A(i,j)，