[发明专利]基于改进蚁群算法和改进人工势场法的USV避碰方法

说明书

本申请提供一种基于改进蚁群算法和改进人工势场法的USV避碰方法，包括以下步骤：构建坐标系，包括全局坐标系和局部坐标系；设计实时避碰规划的优化窗口；采用可视图法构建障碍模型；判断障碍物距离船体的距离选取实时避碰方法：若障碍物距离船体小于设定距离，采用改进人工势场法进行实时避碰，若障碍物距离船体大于设定距离，采用改进蚁群算法进行避碰。本申请提供的一种基于改进蚁群算法和改进人工势场法的USV避碰方法可对未知静态环境下突然出现的障碍物进行紧急避碰，并对下一时刻的路径进行规划，同时避免了传统人工势场法对只能根据距离做出避碰规划的问题，提高了避碰的实时性和有效性。

技术领域

本公开一般涉及水面无人艇避碰规划方法领域，具体涉及基于改进蚁群算法和改进人工势场法的USV避碰方法。

背景技术

USV作为海上的智能化工具，USV避碰规划既是自动化的重要标识，也是自主航行的核心，所以USV完成任务的前提是其能够智能化避碰。传统的避碰规划方法包括蚁群算法、粒子群算法、遗传优化算法、人工势场法、深度学习方法等。针对USV智能化避碰，系统方法除了安全度和平滑性之外，实时性也是重要的考核指标，蚁群算法作为避碰的常规方法被广泛应用，但是蚁群算法针对未知静态环境下短距离中突然出现的障碍物没办法做出有效的紧急避碰，同时由于算法本身收敛慢，无法在突发情况下进行紧急避碰，影响USV最佳的安全避碰时间；人工势场法在紧急避碰情况下可以给出较好的反应，但是传统人工势场法仅考虑障碍物与USV的距离，进而判断障碍物与USV 之间的斥力大小，不能判断障碍是否对航行产生影响，所以避碰方法亟需改进。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于改进蚁群算法的改进人工势场法的USV避碰方法以解决上述问题。

本申请提供一种基于改进蚁群算法的改进人工势场法的USV避碰方法，包括以下步骤：

S100、构建坐标系，包括全局坐标系和局部坐标系；

所述局部坐标系包括船体坐标系和导航器坐标系，所述船体坐标系为以USV为原点，USV航行方向为X轴的直角坐标系，所述导航器坐标系为以USV为原点，USV航行方向为极轴的极坐标系；

S200、设计实时避碰规划的优化窗口：

建立以USV为中心且随USV同航行的优化窗口，所述优化窗口的大小设定位USV导航器探测距离，每隔设定时间对所述优化窗口进行更新，同时对USV进行一次避碰规划；

S300、采用可视图法构建障碍模型：

可视图法包括可视图的膨胀方法和可视图的构建方法，所述膨胀方法采用矢量面积法判断凹凸性，构建方法采用相对位置检测判断法判断可视性；

S400、判断障碍物距离船体的距离选取实时避碰方法：

若障碍物距离船体小于设定距离，采用改进人工势场法进行实时避碰，具体方法为：

S411、将势场设置为椭圆形，确定椭圆势场的形状；

S412、计算障碍模型的任意可视顶点(x,y)的势值v_p；

S413、对v_p进行判断，若v_p≥1，则USV按原路径航行，若v_p＜1，计算USV下一时刻的线速度和角速度；

若障碍物距离船体大于设定距离，采用改进蚁群算法进行避碰。

根据本申请实施例提供的技术方案，确定椭圆势场形状具体为：