[发明专利]一种针对凸形障航物确定船舶航行局部最优路径的方法

摘要

本发明公开了一种针对凸形障航物确定船舶航行局部最优路径的方法，该方法分为六个步骤结合任务信息明确航行的起始点、目标点以及区域；将航行区域内的凸形障航物生成禁航区；采用经纬线将航行区域生成网格地图；计算航路规划技术的各基本要素；用直线把起始点和目标点连接起来，测算该连线与正北方向的夹角；将该夹角作为启发信息引入到航路规划技术中去求取局部最优路径；本发明将起始点到目标点的连线与正北方向的夹角作为启发信息引入到航路规划技术中，考虑了目标点与起始点的相对位置，便捷地植入到船舶航路规划系统中，更高效地为航海人员提供满足实际需求的局部最优路径，使船舶在整个航段的航行兼顾经济性和安全性。

主权项

一种针对凸形障航物确定船舶航行局部最优路径的方法，假设以航行时间为优化目标，包括以下几个步骤：步骤1：结合任务信息明确航行的起始点和目标点并依据起始点SP和目标点EP确定航行区域的经度:λS1～λE1和纬度:步骤2：将航行区域内包括静态障航物和动态障航物的凸形障航物生成禁航区；步骤3：采用p度*q度的经纬线将航行区域网格化，p为单位经度数，q为单位纬度数，生成网格地图；共得到tc*tk个网格，tc为横向网格数，tk为纵向网格数，每个网格的中心均为航路点，网格地图为一个有向网络图，可以表示为：G＝(N,A)其中G是有向网络图，N是航路点的集合，A是有向弧的集合；按由下而上以及从左至右的顺序为航路点编号：n＝1,2,3,...,tc*tk；对于本航行区域，设航路点编号为No，航路点的经纬度可由其编号求得：其中λ是经度，是纬度；弧表示从航路点i航行到航路点j，每个有向弧都有一个相对应的距离，有向弧距离的计算采用大圆航法距离计算公式：其中，L是航路点i和航路点j之间的大圆航距离，R是地球半径，是航路点i所在位置的纬度，是航路点j所在位置的纬度，λ1是航路点i所在位置的经度，λ2是航路点j所在位置的经度；由于航行区域边界的限制，航行区域角落的航路点仅有3个出度和3个入度，航行区域边界的航路点仅有5个出度和5个入度，其余每个航路点均有8个出度和8个入度，按顺时针方向，每个航路点的8个出度与正北方向的夹角依次为：000°,045°,090°,135°,180°,225°,270°,315°编号为No的航路点，其各个方向相邻航路点的编号取值如下：No+1,No+(tk+1),No+tk,No+(tk‑1),No‑1,No‑(tk+1),No‑tk,No‑(tk‑1)步骤4：计算航路规划技术A*算法的各基本要素：(1)计算权值矩阵：V＝Vo‑(0.745h‑0.257qh)(1.0‑1.35*10‑6DVo)其中，V是船舶的实际航行速度，Vo是船舶在静水中的速度，h是航行区域的波高，q是船舶航行方向与波向之间的夹角，D是船舶的实际载重；航路点之间的距离采用大圆航距离，由权值计算公式：W=LV]]>可得到权值矩阵，其中，W为权值；(2)计算估价函数：F(n)＝G(n)+H(n)其中，F(n)表示为从起始点到第n个航路点的估价值，G(n)表示为从起始点沿着产生的路径移动到当前航路点n的权值，H(n)表示为从当前航路点n移动到目标点的权值；估价函数中H(n)的权值参考曼哈顿距离法进行计算，曼哈顿距离指的是两航路点之间水平距离与竖直距离之和，故估价函数中H(n)的权值等于两航路点的曼哈顿距离除以速度；(3)确定Open表和Closed表：Open表用来存放未搜索的航路点，Closed表用来记录已搜索过的航路点以及障航物所覆盖的航路点；步骤5：用直线把起始点和目标点连接起来，测算该连线与正北方向的夹角；夹角α：当(λe‑λs)＞0且则θ＝0°,ω＝1；当(λe‑λs)＞0且则θ＝180°,ω＝‑1；当(λe‑λs)＜0且则θ＝180°,ω＝1；当(λe‑λs)＜0且则θ＝360°,ω＝‑1；其中，λe是目标点所在位置的经度，λs是起始点所在位置的经度，是目标点所在位置的纬度，是起始点所在位置的纬度，θ和ω为常数；步骤6：将夹角α作为启发信息引入到航路规划技术A*算法中去求取局部最优路径：(1)把起始点添加到Open表中；(2)重复如下工作：(a)寻找Open表中F值最低的航路点，将F值最低的航路点作为当前航路点；(b)将当前航路点从Open表中移出，放入Closed表中；(c)依次判断根据启发信息保留的5个搜索出度方向所指向的5个航路点，(c1)若该航路点已经在Closed表中，则不考虑该航路点；(c2)若该航路点不在Open表中，则将该航路点添加到Open表，并将当前航路点作为该航路点的父亲航路点以及记录该航路点的F、G和H值；(c3)若该航路点已经在Open表中，当经过当前航路点到达该航路点的G值小于原来不经过当前航路点到达该航路点的G值，则将当前航路点作为该航路点的父亲航路点并重新计算该航路点的F、G和H值，反之，则该航路点的F、G和H值保持不变；(d)停止搜索：若目标点已添加到Closed表，则确定局部最优路径；若目标点没有添加到Closed表，而Open表已为空，则局部最优路径不存在。