[发明专利]一种舰船路径规划方法及装置

权利要求书

1.一种舰船路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，获取舰船路径规划的地图范围；

S2，在所述地图范围内，获取舰船路径规划的参数信息；所述参数信息包括舰船路径规划起点和终点、初始路径点数、最大路径点数和障碍物分布信息、舰船路径规划中的拐角；

S3，利用预设的舰船路径规划模型，对所述舰船路径规划的参数信息进行处理，得到舰船路径规划结果，包括

S31，确定进行舰船路径规划的编码规则；所述舰船路径规划的编码规则包括编码方法、路径点选择方式、中间路径点编码和判断转向点是否在障碍物范围内；

所述编码方法为可变长实数编码；

所述路径点选择方式包括：

所述舰船路径规划的路径包括可行路径和不可行路径；

设置进行舰船路径规划的中间路径点；所述中间路径点为所述舰船路径规划起点和终点连线上的若干个点的集合；

所述中间路径点将所述舰船路径规划起点和终点连线进行N等分，在每一个控制周期内，选择与舰船当前位置距离最小的中间路径点为当前时刻的规划路径点；

所述中间路径点编码包括对一维编码的改进，记录转向点的横坐标；

所述判断转向点是否在障碍物范围内的方法为：

以所述转向点P₁,P₂,…,P_n为端点，n为转向点个数，向左方依次作水平射线，得到射线L₁,L₂,…,L_n；

沿着任一所述射线，从无穷远处开始自左向右移动，遇到障碍物时得到第一个交叉点，离开障碍物时得到第二个交叉点，记录交叉点数量；

当所述交叉点数量为偶数时，所述转向点在障碍物之外，为奇数时所述转向点在障碍物之内；

S32，确定进行舰船路径规划的适应度函数，包括：路径安全性评价信息fit1、路径总长度评价信息fit2和路径平滑度信息fit3；

引入加权系数k₁,k₂,k₃，得到改进的舰船路径规划的适应度函数f；

f＝k₁fit1/(k₂fit2×k₃fit3)

S33，确定遗传策略，对两个种群分别设计选择、交叉、变异、插入、删除、平滑、避碰算子；

所述选择算子采用最优保存策略来选择个体，保存种群中适应度较高的那部分个体，这些个体直接进入子代，不进行算法中的其余操作；

所述变异算子利用随机替换转向点法和偏移转向点设计；

所述平滑算子为：

获取舰船路径规划中的拐角，对大于π/2的拐角进行处理；

所述处理包括删除所述大于π/2的拐角的顶点p_j；

依次连接点p_j-1、p₁、p₂、p_j+1构成可行路径段p_j-1p₁→p₁p₂→p₂p_j+1；

当点p₁和p₂在障碍物内或其连线在障碍物内时，重新选取；其中点p₁在点p_j-1与点p_j之间，点p₂在点p_j与点p_j+1之间；

所述避碰算子利用先验知识计算，包括：

每条船的参数包括：起始点，终止点，相对起始时间≥0，速度为匀速，安全半径r；

假设船在某一路段的速度为v，初始点p₀，初始时间t₀，p₀到P_i(x_i,y_i)时间为t_i，点P_i-1(x_i-1,y_i-1)到P_i(x_i,y_i)的时间为T_i-1，有t_i＝t_i-1+T_i-1，其中

计算在t_i时刻第K条船的位置，首先确定在t_i时刻第K条船的航向航速，设此路径段为Q_m，则在点Q_m(x_m,y_m)的时间为t_m，则t_i时间第K条船的位置为O_bk(x_bk(t_i),y_bk(t_i))，其中

x_bk(t_i)＝x_m+v_bx(t_i-t_m)

y_bk(t_i)＝y_m+v_by(t_i-t_m)

v_bx和v_by分别是速度v在x轴和y轴坐标上的分量；

经以上分析，可得时刻t_i转向点P_i(x_i,y_i)与第K条船的距离d_ik为：

如果d_ikr则航线是安全的，该转向点可以使用，否则丢弃；

S34，确定遗传算子执行概率，包括确定种群早熟度评价指标和概率自适应调整方法；

所述种群早熟度评价模型为：

其中Δ′为种群早熟度评价指标，F_tmax为最优个体适应度，为适应度大于的个体平均适应度，为种群个体的平均适应度，第t代种群由个体构成，M为个体数量，M个个体的适应度分别为F_t¹,F_t²,…,F_t^M；

所述概率自适应调整方法为：

设置交叉概率P_c和变异概率P_m；

当种群趋于收敛时，降低交叉概率P_c，提高变异概率P_m；当种群个体发散时，提高交叉概率P_c，降低变异概率P_m；

根据上述评价种群“早熟”程度的指标Δ′，控制交叉概率P_c、变异概率P_m在进化过程中随着Δ′的变化而改变，分别为：

式中：k₁,k₂＞0；由于Δ′始终大于或等于0，所以P_c取值范围在[0.5,1]之间，P_m的取值范围在[0,0.5]之间；

S35，设定遗传操作参数；所述遗传操作参数包括舰船路径起点和终点、种群大小、最大进化代数、初始路径点数、最大路径点数、遗传算子自适应选择概率系数和选择自适应双种群遗传算法；

S36，初始化种群，沿所述舰船路径起点和终点连线方向等距离选取N个点，在所述N个点的垂直线上随机选取转向点，并使这些转向点不在障碍物范围内；所述转向点为中间路径点；

随机产生两个群体的个体，作为种群进化的初始种群，得到两个种群，子种群1和子种群2；

S37，计算所述两个种群中所有个体的适应度，保留适应度最高的个体；根据早熟度评价结果计算遗传算子执行概率，依次执行选择、交叉、变异、插入、删除、平滑、避碰算子，得到下一代群体；所述下一代群体为新种群；

子种群1为探测子种群，其交叉概率Pc和变异概率Pm设置较大；使算法一直保持较高的搜索效率，并总能产生大量新的个体产生，有效避免计算结果收敛过早的现象；子种群2为开发子种群，它的Pc和Pm值较小，有利于将局部范围内的优秀个体保留下来，两个子种群分别独立进化，并且在每一代进化完成时按照一定准则进行个体交换，把各自种群中适应度值高的个体交换到另一种群中；

S38，重复S37，两个种群各自产生的新种群，直到所述下一代群体中个体数量与父代群体数量相等；

S39，用保留的上一代的适应度最高的个体替换所述新种群中适应度最低的个体，并检查算法停止条件，若达到最大进化代数，则终止算法，并选取适应度最高的可行路径，得到舰船路径规划结果。