[发明专利]一种考虑无人艇运动性能的二次路径规划方法

说明书

本发明属于无人艇路径规划领域，公开了一种考虑无人艇运动性能的二次路径规划方法，包含如下步骤：步骤(1)：通过无人艇定常回转试验或操纵性仿真试验确定无人水面艇的回转曲率；步骤(2)：进行无人艇一次路径规划，获得一次最优路径点集p；步骤(3)：根据一次最优路径点集p和水面无人艇运动的回转性能用二次路径规划方法得到无人艇运动范围能力内的最优路径p₂。本发明通过分析无人艇回转特性，进行二次路径规划，在已有最优路径前提下，解算出一条符合无人艇实际运动特性的最优路径，同时兼顾效率与性能，在减少迂回行路并优化航行时间方面具有显著进步。

技术领域

本发明属于无人艇路径规划领域，尤其涉及一种考虑无人艇运动性能的二次路径规划方法。

背景技术

无人水面艇，是一种无人操作的水面舰艇。主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务，比如，侦察、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察；反潜作战、反特种作战以及巡逻、打击海盗、反恐攻击等。在无人水面艇研发和使用领域，美国和以色列一直处于领先地位。目前各国都竞相研制无人艇，国内比较知名的单位包括海兰信、哈尔滨工程大学、中船重工701所、中船重工707所、中科院沈阳自动化所、北京方位智能系统技术有限公司等，无人艇家族正在日益壮大。而路径规划作为无人艇研究的核心问题，在一定程度上代表着无人艇智能化水平的高低。USV路径规划代表性方法主要有人工势场法，遗传算法，人工神经网络，快速随机搜索树算法。使用人工势场法只能解决局部空间的避障问题,它缺乏全局信息，很容易陷入局部最小值，导致产生振荡或停滞不前的路径；遗传算法对新空间的探索能力较差，较难构造合适的适应度函数，且较易收敛到局部最优解；使用人工神经网络较难获得具有代表性的训练样本，在USV复杂的作业空间内不易实现；RRT算法的随机性导致结果只能概率完备，在USV动态作业空间该算法缺乏稳定性且易出现偏离最优路径。

但上述无人艇路径规划方法均存在一些缺陷，运用一次路径规划出的最优点集是基于距离最短标准进行解算的，得出的结果多将无人艇看作质点，而忽略无人艇的机动性能回转性能，导致欠驱动无人艇无法跟踪曲率较大超过己身运动性能限制的路径节点。在实际工程应用中，无人艇在跟踪规划路线会发生迂回或者路径点不可达现象，从而加大无人艇任务执行难度。

江苏科技大学刘建，发表的论文《水面无人艇路径规划技术的研究》将改进势场法与动态栅格法相结合，设计了一种势场动态栅格法，通过将栅格动态细化的方式建立环境模型，利用改进势场法来搜索最优路径，通过减少折线来减少多余的路径点，最终达到路径优化的目的。华中科技大学王卫红等，发表的论文《基于平滑A*算法的移动机器人路径规划》提出在A*算法规划的路径基础上，遍历路径中所有的节点，当某一节点前后节点连线上无障碍时，将延长线路的这一中间节点剔除，最终达到平滑效果。

申请号为201410022398.9的专利公开了一种基于邻域智能水滴算法的水面无人艇路径规划方法，包括：(1)对水面无人艇路径规划进行环境建模；(2)利用智能水滴算法根据已知水面无人艇作业区域静态障碍物、行进目标以及路径评价函数在作业区域栅格阵中进行离线全局路径规划，得到全局离线最优路径。

上述方法通过减少规划路径的折线来减少多余路径具有结果随机性，在实际海洋环境中可用性差，且无法纳入水面舰艇的实际航行能力调整，受到的限制较大。

发明内容

本发明的目的在于公开满足船舶运动性能需求，可用性强的一种考虑无人艇运动性能的二次路径规划方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种考虑无人艇运动性能的二次路径规划方法，包含如下步骤：

步骤(1)：通过无人艇定常回转试验或操纵性仿真试验确定无人水面艇的回转曲率；

步骤(2)：进行无人艇一次路径规划，获得一次最优路径点集p：