[发明专利]一种水面无人艇自主航行方法

说明书

本发明公开的一种水面无人艇自主航行方法，包含以下步骤：获取水面无人艇前进方向的障碍物信息；对获取的障碍物信息进行中值滤波处理，并通过前后数据帧信息结合，构建无人艇周遭水域环境模型；通过VFH+局部路径规划算法将无人艇周遭水域环境模型分解为一系列具有二值信息的网络单元，得到当前帧的最优避碰方向；根据最优避碰方向与无人艇行驶方向的差值，结合纯跟踪算法计算无人艇循迹行驶的控制指令，使用简化的阿克曼车辆模型作为纯跟踪模型下无人艇的转角控制量，判断是否需要进行避碰；实时更新位姿信息，判断是否进入目标点的抵达半径，确定下一循环的工作状况；本发明提高无人艇对复杂海域的适应度，满足无人艇自主航行的需求。

技术领域

本发明涉及无人艇智能控制的技术领域，特别涉及一种水面无人艇自主航行方法。

背景技术

在水面无人艇的开发方面，自主航行系统的设计与实现一直都是开发流程中的核心任务。而自主航行算法作为系统中最重要的技术要点，不仅是无人艇能够顺利完成各种任务的前提，也是衡量无人艇智能化水平的重要依据。近年来，世界各国对国家的海洋权益更为重视，无人艇作为未来海洋战争的先驱，其无人避障技术得到了国内外研究机构的重视，并向着更自主化、网络化和集成化的方向发展。因此，研究水面无人艇自主航行新方法，对于提高无人艇智能化水平，实现无人艇军用、民用的普及具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水面无人艇自主航行方法，针对水面无人艇在复杂海况下的自主航行问题，引入纯跟踪算法实现水面无人艇的循迹航行；采用激光雷达作为传感源，构建水面无人艇环境模型，并以此为基础采用VFH+局部路径规划算法获取当前帧下的最优避碰方向。通过避碰方向与目标行驶方向的差值作为全局循迹和局部避碰的转换点，从而实现水面无人艇在已知和未知环境下的自主航行。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种水面无人艇自主航行方法，包含以下步骤：

S1、获取水面无人艇前进方向的障碍物信息；

S2、对获取的障碍物信息进行中值滤波处理，并通过前后数据帧信息结合，构建无人艇周遭水域环境模型；

S3、通过VFH+局部路径规划算法将无人艇周遭水域环境模型分解为一系列具有二值信息的网络单元，得到当前帧的最优避碰方向；

S4、根据最优避碰方向与无人艇行驶方向的差值，判断是否需要进行避碰；当角度差值小于阈值K，则无需进行避碰，此时结合纯跟踪算法计算无人艇循迹行驶的控制指令，使用简化的阿克曼车辆模型作为纯跟踪模型下无人艇的转角控制量；当角度差值大于阈值K，则需要进行避碰，使用VFH+算法最优避碰方向作为无人艇转角控制量；

S5、实时更新位姿信息，判断是否进入目标点的抵达半径，确定下一循环的工作状况。

进一步地，所述步骤S1具体为：使用电子海图的全局环境规划无人艇自主航行的目标节点，并通过激光雷达获取水面无人艇周围水域障碍物具体和方位。

进一步地，所述步骤S2具体为：对获取的障碍物信息进行中值滤波处理，剔除噪声数据点，并根据激光雷达前后数据帧信息进行结合，构建无人艇周遭水域环境模型；激光雷达前后数据帧信息指激光雷达经过N个检测过程后，无人艇获得的在时间上存在先后关系的N个相邻的雷达数据帧；

中值滤波处理的过程具体为：激光雷达测距序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，计算公式为：

x'＝Med{x_i-n,…x_i-1,x_i,x_i+1,…x_i+n}，

式中，x'为中值滤波之后的数据点，Med{}为中值滤波函数，n为领域窗口的大小，x_i表示激光雷达测得的单个距离值。