[发明专利]免疫遗传-人工势场法的无人艇双层路径规划方法

说明书

本发明公开了免疫遗传‑人工势场法的无人艇双层路径规划方法，属于无人艇双层路径规划方法技术领域。包括以下步骤：建立无人艇的数学运动模型以及无人艇的栅格工作环境模型；利用免疫遗传算法进行全局路径规划，为无人艇快速规划出一条初始全局最优路径；对全局最优路径进行分割，将全局最优路径上的转折点序列作为局部路径规划的子目标位置并利用人工势场法进行局部路径规划，直到当前子目标位置是最终的目标位置。本发明所述的免疫遗传算法在传统遗传算法的基础上添加了一个免疫算子，可以有效防止种群退化，提高算法效率；引进了分割操作，大幅度减小局部路径规划的复杂性，减少了无人艇陷入局部极小点位置和路径震荡的可能性。

技术领域

本发明属于无人艇双层路径规划方法技术领域，具体涉及免疫遗传-人工势场法的无人艇双层路径规划方法。

背景技术

水面无人艇作为一种新型的海上无人智能平台，要有能够在复杂海况环境下实时避障的能力，才能在海洋资源的开发、监测和防御中发挥着重要作用。

免疫遗传算法在遗传算法的基础上添加了一个免疫算子，使种群处在不断进化状态，提高算法效率。

全局规划和局部规划结合的思想，不仅大幅度减小路径规划的复杂性，也减少了无人艇陷入局部极小点位置和路径震荡的可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供获取更平滑，更短的实时避障路径的免疫遗传-人工势场法的无人艇双层路径规划方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

免疫遗传-人工势场法的无人艇双层路径规划方法，包括以下步骤：

步骤(1)建立无人艇的数学运动模型以及无人艇的栅格工作环境模型；

步骤(2)利用免疫遗传算法进行全局路径规划，为无人艇快速规划出一条初始全局最优路径；

步骤(3)对全局最优路径进行分割，将全局最优路径上的转折点序列作为局部路径规划的子目标位置并利用人工势场法进行局部路径规划，直到当前子目标位置是最终的目标位置。

所述的步骤(1)具体包括：

(1.1)根据无人艇的特点，定义了无人艇的速度矢量为v＝[u v r]^T，位置矢量为η＝[x y ψ]^T，简化得到无人艇的三自由度数学模型如下：

τ代表无人艇控制器的控制力和力矩，具体表达式由下面的公式给出：

τ＝[τ_u 0 τ_r]

最终根据上面的描述，展开得到三自由度的无人艇运动学动力学数学模型如下：

(1.2)任选一随机位置的电子海图，将其转化为栅格地图，具体处理规则如下：障碍物规模小于一个栅格按一个处理，地图的边界一律当做障碍物处理，当无人艇不能在两实际障碍物间通过，需将障碍物连接当做整体栅格进行处理。

栅格工作环境的建模将序号法和坐标法结合，无人艇运动路径采用栅格序号法进行记录，对路径的价值函数进行衡量时，采用坐标形式，两法转换关系如下：

C＝A+10B

其中C为序号法的栅格序号，A为坐标法的横坐标，B为坐标法的纵坐标。

步骤(2)中所述的免疫遗传算法具体为：

(2.1)对栅格图中每一个栅格进行编码，将栅格图中所有能形成一条从S到E的路径称为抗体，其中S为起始点，E为目标点；