[发明专利]考虑海流与无人艇动力学影响的节能A星路径规划方法

说明书

本发明提出了考虑海流与无人艇动力学影响的节能A星路径规划方法，步骤包括：(1)获取全局海图信息并网格化；(2)获取无人艇的起点和终点位置信息；(3)将当前位置设为起点位置，创建OPEN和CLOSD表；(4)计算在海流影响下的无人艇航速堆；(5)将当前位置存入OPEN表；(6)依次判断当前位置无人艇是否可以向周围八个方向行驶等。本发明在传统A星路径规划算法的基础上，结合海流影响下的无人艇动力学模型，设计考虑海流影响的能耗启发函数E_heurstic，并通过调整该函数的权值，实现对算法节能效率的动态调节，为无人艇在海面上长时间工作提供技术支持。

技术领域

本发明涉及水面无人艇全局路径规划领域，具体涉及考虑海流与无人艇动力学影响的节能A星路径规划方法。

背景技术

21世纪，人们越来越注重对海洋的探索，而无人艇作为一种海上智能无人系统，无论在民用还是军事上都得到了广泛的应用。随着科学技术的迅速发展，无人艇技术也在不断发展进步，然而更加强大的功能也对应着更加高额的能源开销，如何在能源有限的情况下提高无人艇在海上的续航能力和工作时间，已经越来越成为人们所关注的焦点问题之一。

文献“海洋环境下水下机器人快速路径规划研究”中，王磊等人以节能为全局路径规划的主要目标，分析了水下机器人受海流影响时的运动特点，提出了综合考虑路径长度和海流两种因素的规划方案，针对智能水下机器人的切线图环境模型，分别进行距离最短的全局路径规划和耗能最少的全局路径规划，并且在仿真系统中进行了验证。但该方法为了实现快速规划，没有结合规划对象在海流影响下的动力学模型，难以保证所得路径节约能量的准确性；且基于切线图的路径规划也无法保证其结果为最佳节能路径，而无人艇在水面作业，海面的海流要比深海的海流强很多，需要对节能路径进行更加全面的搜索以确保最佳节能效果，所以该方法也无法直接应用于无人艇的节能路径规划。

公开日2016年3月9日，公开号CN103744428B，发明名称为“一种基于邻域智能水滴算法的水面无人艇路径规划方法”的专利申请针对基本智能水滴方法存在的易陷入局部最优解导致方法停滞及收敛速度较慢的问题进行了改进，得到邻域智能水滴方法，可以避免方法陷入局部最优导致早熟，提高了方法寻优的收敛速度。但该方法没有在节约能源的问题上进行改进，规划得到的路径无法为无人艇节省能源，因此不满足节能路径规划的目标。

公开日2017年11月24日，公开号CN107389076A，发明名称为“一种适用于智能网联汽车的节能实时动态路径规划方法”的专利申请可以搜索到三维时空网络当中的全程理论通行时间最短的出行路径，可以显著降低车辆行驶能耗，达到节能出行的目标。但是汽车与无人艇运动特性和工作环境都大不相同，且该方法没有考虑环境对规划对象的影响，因此同样无法应用于无人艇的节能路径规划。

本发明以尽可能多地节约无人艇的自身能源、实现最大续航力为最终目标，在经典A星算法的基础上，考虑海流对无人艇运动轨迹的影响，结合海流作用下的无人艇动力学模型，设计出无人艇能耗启发函数，并通过对其权值的调整实现对规划路径节能效率的动态调节，完成海流影响下的无人艇节能路径规划任务并通过仿真试验取得了良好的效果。

发明内容

本发明的目的在于提出考虑海流与无人艇动力学影响的节能A星路径规划方法。以A星算法为基础，基于海流作用下的无人艇动力学模型，设计出考虑海流的无人艇能耗启发函数E_heurstic，并可以对该节能规划算法的节能效率进行动态调节，有效地节约了无人艇自身能源，大大提高了无人艇的续航能力。

本发明具体包括如下步骤：

(1)获取全局海图信息和全局海流信息，设置网格化分辨率n并将海图和海流图网格化，形成n*n的网格海图和网格海流图；

(2)将网格海图中的障碍值设为无限大Inf，其他设为1，网格海流图中包含了每个单位网格内海流的流速U_current(x,y)和流向D_current(x,y)；