[发明专利]基于测地线的无人船航路规划方法及存储介质

权利要求书

1.一种基于测地线的无人船航路规划方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1、将外部环境因素对无人船的影响等效成黎曼曲面；

S2、将舵输入以及障碍物对无人船的影响等效成黎曼曲面；

S3、将外部环境因素、舵输入以及障碍物在曲面任一质点上产生的切向量进行矢量合成；

S4、求取曲面上两点间的测地线作为无人船的规划航路。

2.根据权利要求1所述的基于测地线的无人船航路规划方法，其特征在于：所述S1、将外部环境因素对无人船的影响等效成黎曼曲面具体包括：

(1)海浪

以ξ-η为一个水平面，浪高的表达形式即：

式中，a_i为第i次谐波的幅值；ε_i为第i次谐波的初相位，是在0～2π之间均匀分布的随机变量；ω_i为第i次谐波的角频率；k_i为第i次谐波的波数，k_i＝ω_i²/g，g为重力加速度；μ为海浪方向角；

在重力场、风的双重作用下，水流产生变形就形成浪，黎曼空间表示就是浪形状本身；

(2)海风

根据时间常数相对于无人船航行时间将海上的风产生分为两类；第一类海风稳流风时间周期较大，幅值大小服从雷利分布；海风稳流风对船舶运动产生的影响与船舶遭遇风向角有关，在黎曼几何中斜面对无人船航行轨迹改变与海风对无人船吹拂后运动轨迹一致，针对不同的遭遇风向角，稳流风等效成不同倾斜程度的斜面；第二类海风湍流风，由无数谐波组成，其幅值、方向与频率都是随机变化的，用随机海浪理论分析其变化特性。

3.根据权利要求2所述的基于测地线的无人船航路规划方法，其特征在于：所述S2、将舵输入以及障碍物对无人船的影响等效成黎曼曲面，具体包括：

(1)舵输入控制量

船舶航行时，当舵叶平行于船舶行进方向时，舵叶两侧受到的水作用力相等，此时不会对船舶的运动方向产生影响；当舵叶通过舵轮的控制，产生一个偏转角，两侧的水流不再保持一致，迎水面和背水面产生压力差，再加上水流与舵叶之间的摩擦力，推动着船舶转向；设转动回转半径为R，则舵浆的转动力矩在黎曼几何中等效为锥形旋转面；

(2)障碍物

考虑到无人船航行的安全问题，如果船舶遇到的障碍物为其他船只，还要对障碍船舶所等效的三维立体图形进行膨胀处理，还需要通过GPS得到运动船只的方向和位置信息，通过AIS和ARPA来计算动态障碍物的运动信息，根据其航行的速度及方位进行预判是否与本船有相撞的危险，从而进行避碰；

根据障碍物的大小、方位及其运动的速度、方向，将其等效为曲面上的三维图形，表现形式为平面上凸出的柱体，其占地面积与障碍物的长宽有关，其高度与障碍物的体积有关，在平面上的位置与其运动的速度和方向有关。

4.根据权利要求1所述的基于测地线的无人船航路规划方法，其特征在于：所述S3、将外部环境因素、舵输入以及障碍物在曲面任一质点上产生的切向量进行矢量合成，具体包括：

将非线性力学体系展现在几何空间，力学体系中的状态位置和速度使用几何的流形位置空间、切向量速度空间表示，控制的输入使用流形的输入空间表示，其运动轨迹则表示为切向量在流形空间的积分曲线；

无人船的运动空间，在某一个质点上有各种因素对其产生影响，在该质点上的切向量满足矢量合成原理，合成后产生一个新的空间。