[发明专利]一种考虑虚拟目标点的无人船路径规划方法

说明书

本发明公开了一种考虑虚拟目标点的无人船路径规划方法，旨在解决无人船在路径规划中存在的易陷入局部极小值和目标不可达问题。对于目标不可达问题，创建斥力势场函数，根据测算目标与障碍物的间隔，促使目标所受斥力为零，使无人船可以到达目标点处。对于局部极小值问题，对各类障碍引起的局部极小值开展分析，结合模拟退火算法和人工势场法求解一般障碍导致的极小值点问题。针对非一般的U型障碍造成的局部极小值问题，给出虚拟目标点构造算法，通过建立虚拟目标点的改进算法来解决此类问题。仿真结果表明，与其它方法相比，本方法减少了由于斥力太大而导致的路径过长问题，不仅节省时间，而且优化了路径规划，从而加快了算法的速度。

技术领域

本发明涉及无人船路径规划领域，尤其涉及一种考虑虚拟目标点的无人船路径规划。

背景技术

近年来，随着人工智能技术的快速发展，无人船被广泛应用在生活中的各个领域。路径规划技术作为保证安全航行的关键，成为了目前研究的热点方向。然而，由于作业环境的复杂性和不确定性，许多路线规划方法是繁琐、低效的，而且容易产生大量的错误。

传统人工势场法存在如下问题：(1)局部极小值问题，容易让无人船陷入局部震荡，导致目标不可达；(2)当目标点附近存在障碍物时，无人船将在目标点附近震荡，无法真正到达目标点；(3)受障碍物影响，无人船路径规划容易陷入局部最优。专利CN114020032A《一种基于人工势场法和退火算法的无人机路径规划方法》航路系统约束过于简化，对无人机动力学约束考虑过于简单，制定的航路受动力学约束而实际不可飞，此外，对环境空间降维处理至二维空间，规划的航路难以投入实际运用，而本发明方法考虑了多种水面环境因素的影响，可以扩展到具有更多技术含量的水上无人船路径规划问题。专利CN113189984B《一种基于改进人工势场法的无人船路径规划方法》未考虑无人船在撞到障碍物之前能否完成得出的转角，同时也未考虑不同航速条件产生的规划影响，而本发明方法通过给出一种新的目标点构造算法，建立虚拟目标点来解决此类问题，有效规避了上述问题。专利CN202210543801.7《基于改进人工势场法的无人船航速自适应路径规划方法》在仿真时，对障碍物规则化处理，使其等效为圆形障碍物，所提出的方法具有一定的局限性，难以适应错综复杂的海面情况，而本发明在面对高密度障碍物的规避问题同样行之有效。

综上所述，解决传统人工势场法在无人船实际航行情况下存在的易陷入局部极小值和目标不可达问题成为亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑虚拟目标点的无人船路径规划方法，解决传统人工势场法应用在无人船路径规划过程中，目标不可达问题和局部最小问题，让目标对象在规定区域内找到一条从起点到终点的无碰撞安全路径，同时路径也较为合适、效率更高。

本发明为了解决上述问题采用以下技术方案：通过对传统人工势场模型的修正，引入新的势场函数。将混合算法与各种算法特点相结合，有效地解决了由普通障碍物所造成的局部最小问题。针对因特殊障碍引起的局部最小问题，给出了一种求解U型障碍的虚拟目标点的构造方法，也提出了另一种改进算法解决特殊的局部最小值问题。具体包括以下步骤：

S1：

将被控对象视为质点，将环境视为二维空间。在二维空间建立一个坐标系来确定被控对象的位置。目标点产生的引力势场函数公式一般表述如下：

式中，U_att(X)是引力势场函数，k_att是引力势场的增益因子，X是被控对象的二维空间坐标，X_g为目标点的坐标，ρ(X,X_g)为被控对象与目标点的距离，引力F_att是引力势场U_att对被控对象与目标点的相对距离的导数，表示偏导数算子，其表达式为：