[发明专利]基于RRT的无人船集群遍历多目标点的路径规划方法

说明书

本发明公开的是基于RRT的无人船集群遍历多目标点的路径规划方法，属于湖泊路径规划领域；针对无人船集群面对多个目标点的路径规划需求，将复杂的障碍物转化成等效椭圆形障碍物，通过对现有RRT算法进行改进，同时基于多个节点生成子节点，直到遍历完所有目标点，使RRT算法可以规划出多船的多目标点。通过依次连接起点至目标点之间的路径来生成引力线，利用引力线对路径节点施加引力和障碍物对路径节点施加斥力，并利用斥力和引力来调整采样路径节点的位置，缩短了规划路径的长度，使路径更加平滑。最后，引入了国际海事规则对RRT算法的避障动作进行约束，提高了RRT算法避障的合理性，缩短了规划路径的长度，减少了规划路径的时间成本。

技术领域

本发明属于湖泊水质采样以及路径规划领域，具体是基于RRT(Rapid RandomTree，快速随机树算法)的无人船集群遍历多目标点的路径规划方法。

背景技术

随着科技的发展与进步，人们的生活水平得到了提升，但水资源却受到了一定的破坏，因此对水资源的保护工作成为了重中之重。现如今，大部分科研工作者会选择利用无人船按照预先设定好的目标点顺序进行遍历，对水质进行采样，从而对水资源进行保护。

因此，寻找一种能够使无人船集群在短时间内对多目标点进行路径规划的方法，可以提高无人船集群对多个目标点的采样效率。

当前已经有多种传统方法和智能方法来解决多目标点遍历问题，比如灰狼算法，粒子群算法和蚁群算法等。但是上述算法容易陷入局部最优，有时无法求出最优解。

RRT算法为一种递增式的构造方法，主要用于解决全局路径规划中起始点到目标点的路径规划问题，也可以解决多目标点路径规划问题。该方法通过不断在搜索空间中随机生成状态点，当状态点位于无碰撞位置，则寻找搜索树中离该状态点最近的点为基准节点，由基准节点出发以固定步长朝着该状态点进行延伸，以达到寻找路径的目的。

发明内容

本发明针对无人船集群面对多个目标点的遍历需求，提出了一种基于RRT的无人船集群遍历多目标点的路径规划方法，通过对传统RRT算法进行改进，将复杂的障碍物转化成等效椭圆形障碍物，并设定了安全阈度，简化了地图，提高了算法的运算效率，同时提高了无人船航行的安全性。

所述基于RRT的无人船集群遍历多目标点的路径规划方法，具体步骤如下：

首先、针对待规划路径的水域，建立该水域环境中各障碍物的等效模型。

然后、利用改进RRT算法规划出该水域中每个无人船各自的路径，且满足遍历所有目标点，每个目标点只被经过一次的约束。

针对每个无人船的规划路径，通过依次连接起点至第一个目标点及后续目标点来生成引力线，利用引力线对RRT算法生成的采样路径节点施加引力，同时利用障碍物对路径节点施加斥力，调整各采样路径节点的位置；

具体步骤如下：

步骤301：针对第i艘无人船的规划路径中包含了k个目标点，根据规划路径的顺序，将起点至第k个目标点依次用直线连接，这些直线段为引力线；

其中0k且kM；M为所有目标点的总数量；

步骤302：采样路径节点A是通过RRT算法的采样函数生成的路径节点，当第i艘无人船沿着规划路径中行驶，针对采样路径节点A，对当前对应的引力线做垂线段L，计算当前引力线对采样路径节点A的引力F_y；

其表达式如下：

F_y＝-F_z·sinα，

其中α为规划路径与引力线的夹角；F_z为规划路径的张力；

步骤303：设障碍物对路径节点A的斥力为F_c，其表达式如下：