[发明专利]一种考虑约束的无人艇靠泊行为轨迹规划方法

说明书

本发明提供一种考虑约束的无人艇靠泊行为轨迹规划方法，远端规划：1计算当前的期望艏向；2对期望艏向进行近障碍前瞻补偿；3更新无人艇位置；4判断无人艇是否到达远端规划目标点，是则结束远端规划转入近岸规划阶段，否则返回步骤1。近岸规划：1计算出指向第ii的初始值为1个虚拟码头的期望路径；2计算无人艇距离目标码头的距离，为当前期望速度添加码头约束；3更新无人艇位置；4判断无人艇是否抵达第i个虚拟码头，是则转步骤5，否则返回步骤2；5判断第i个虚拟码头是否为目标码头，是则规划完毕程序结束，否则令i＝i+1，返回步骤1。本发明采用了改进人工势场法，为无人艇的自主靠泊控制问题提供便利。

技术领域

本发明涉及水面无人艇自主靠泊领域，尤其涉及一种考虑约束的无人艇靠泊行为轨迹规划方法。

背景技术

无人艇是一种强非线性的欠驱动系统，由于其无人艇在靠泊时面临的限制水域环境较为复杂，因此无人艇的自主靠泊是一大难题；另外无人艇在靠泊时还会受到因速度低导致的舵效差、因岸壁效应导致的扰动大等影响，这些都使自动控制变得更加困难。

自主靠泊系统可以使欠驱动无人艇实现自主的安全的靠泊，它可以根据无人艇、目标泊位和障碍物的位置自主规划出可行的靠泊轨迹，然后交由控制系统自动控制无人艇舵、桨等执行机构，使无人艇遵循所规划轨迹完成靠泊。

发明名称为“一种用于多种泊车场景的车辆自主泊车路径规划方法”(公开号CN1O5857306A，公开日2016年8月17日)的专利申请适用于多种泊车场景，设计合理，能够提供丰富的信息控制车辆自主泊车，安全系数高。但是车不存在漂角以及横漂的现象，该方法并不适用于无人艇的路径规划，而且该方法需要倒车等欠驱动无人艇较难完成的操作，无法适用于欠驱动无人艇自主靠泊的轨迹规划中。

发明名称为“一种基于邻域智能水滴算法的水面无人艇路径规划方法”(公开号CN103744428A，公开日2014年4月23日)的专利申请针对基本IWD方法存在的易陷入局部最优解导致方法停滞及收敛速度较慢的问题进行了改进，可以避免该方法陷入局部最优导致早熟，提高了方法寻优的收敛速度。但是该方法没有考虑无人艇靠泊过程中岸边的码头对无人艇航向航速的影响，无法实现无人艇的安全自主靠泊。

文献“基于改进人工势场法的无人船路径规划算法”中，刘琨等人提出了一种改进的人工势场法，用指数函数代替二次函数构造势场函数，降低了势场强度的变化幅度，并在斥力势场函数中增加无人船与目标点的相对位置的一个因子，解决目标不可达问题；同时设置势场系数调整因子，引入2个判断条件确定无人船是否陷入局部最小值，在此基础上选择相应的势场系数，从而跳出局部极小值点。

该方法虽然经过了仿真验证，但它并没有考虑无人艇的欠驱动特性和规划轨迹的光顺问题，且计算成本相对较高，缺乏实用性。

综上所述，现有的轨迹规划方法或没有考虑无人艇的欠驱动特性，规划出的轨迹转角过大；或需要较大的计算量以保证轨迹可行；或没有考虑靠泊过程中岸壁对无人艇的影响，均无法很好地解决无人艇靠泊过程中存在的实际问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种考虑约束的无人艇靠泊行为轨迹规划方法，是一种考虑近障碍约束、码头终端约束和无人艇自身运动约束的轨迹规划方法。

本发明的目的是这样实现的：包括远端规划阶段和近岸规划阶段，

远端规划阶段步骤如下：

步骤一：根据无人艇当前位置信息计算出当前的期望艏向；

步骤二：选择最近的障碍物对无人艇的期望艏向进行近障碍前瞻补偿，得到补偿后的期望艏向；

步骤三：根据无人艇当前速度和补偿后的期望艏向更新无人艇位置；

步骤四：考察更新后的无人艇位置是否到达已知的远端规划目标点，如果到达则结束远端规划进入近岸规划阶段，否则返回步骤一；