[发明专利]一种针对凸形障航物确定船舶航行局部最优路径的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种针对凸形障航物确定船舶航行局部最优路径的方法，属于船舶航路安全航行技术领域。

背景技术

随着航海需求的不断增加，船舶航路规划技术日益受到人们的关注。船舶航路规划包括全局航路规划和局部航路规划，依据静态的地理信息(岛、礁等)和动态的气象信息(风、浪、流等)，结合船体状态及其运动性能，兼顾经济性和安全性，从起始点到目标点规划出一条以用时最少、距离最短、最省燃料或者按时到达为优化目标的航线。

船舶航路规划技术中的A*算法是在Dijkstra算法的基础上引入启发式函数得到的，所以经典的A*算法实际上是改进的Dijkstra算法。虽然经典的A*算法已经得到了改进，但其仍然有不足之处，例如在网格地图规划航路过程中，采用经典的A*算法时，需将每个航路点相邻所有可行航路点都遍历一遍，当网格地图中的航路点数量很大时，经典的A*算法寻找最优路径的计算量将急剧增加，导致寻找最优路径的效率降低。本方法提出一种可行的确定局部最优路径的方法，可以在航路规划中优化设计出遭遇凸形障航物时的航行路线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对凸形障航物确定船舶航行局部最优路径的方法，可以将本发明的方法植入到船舶航路规划系统中，更加高效地为航海人员提供满足实际需求的局部最优路径，使船舶在整个航段的航行兼顾经济性和安全性。

本发明的实现过程：结合任务信息明确航行的起始点、目标点以及区域；将航行区域内的凸形障航物生成禁航区；采用经纬线将航行区域生成网格地图；计算航路规划技术(A*算法)的各基本要素；用直线把起始点和目标点连接起来，测算该连线与正北方向的夹角；将该夹角作为启发信息引入到航路规划技术(A*算法)中去求取局部最优路径。假设以航行时间为优化目标，本发明的航路规划方法具体实现包括以下几个步骤：

步骤1：结合任务信息明确航行的起始点和目标点并依据起始点SP和目标点EP确定航行区域(经度:λ_S1～λ_E1，纬度:)。

步骤2：将航行区域内的凸形障航物(包括静态障航物和动态障航物)生成禁航区。

步骤3：采用p度*q度(单位经度*单位纬度)的经纬线将航行区域网格化，生成网格地图。共得到t_c*t_k(横向网格数*竖向网格数)个网格，每个网格的中心均为航路点，网格地图为一个有向网络图，可以表示为：

G＝(N,A)

其中G是有向网络图，N是航路点的集合，A是有向弧的集合。

按由下而上以及从左至右的顺序为航路点编号(n＝1,2,3,...,t_c*t_k)。对于本航行区域，设航路点编号为N_o，航路点的经纬度可由其编号求得：

其中λ是经度，是纬度。

弧表示从航路点i航行到航路点j，每个有向弧都有一个相对应的距离，有向弧距离的计算采用大圆航法距离计算公式：

其中，L是航路点i和航路点j之间的大圆航距离，R是地球半径，是航路点i所在位置的纬度，是航路点j所在位置的纬度，λ₁是航路点i所在位置的经度，λ₂是航路点j所在位置的经度。

由于航行区域边界的限制，航行区域角落的航路点仅有3个出度和3个入度，航行区域边界的航路点仅有5个出度和5个入度，其余每个航路点均有8个出度和8个入度，按顺时针方向，每个航路点的8个出度与正北方向的夹角依次为：

000°,045°,090°,135°,180°,225°,270°,315°

编号为N_o的航路点，其各个方向相邻航路点的编号取值如下：

N_o+1,N_o+(t_k+1),N_o+t_k,N_o+(t_k-1),N_o-1,N_o-(t_k+1),N_o-t_k,N_o-(t_k-1)

步骤4：计算航路规划技术(A*算法)的各基本要素：权值矩阵、估价函数、Open表以及Closed表。以下为各要素计算方法：