[发明专利]一种考虑动态水深的无人艇动态安全轨迹规划方法

说明书

本发明涉及一种考虑动态水深的无人艇动态安全轨迹规划方法，以无人艇基本参数、感知系统提供的目标信息导航系统输出的时间位置速度信息为输入参数，最终输出综合考虑动态水深和水面动静态障碍物的无人艇航行的安全轨迹。轨迹规划方法利用无人艇基本参数计算航行最小安全水深；综合海浪、海流和动静态障碍物定义水深危险度和障碍物危险度，定量评价路径安全水平；根据感知系统实时输出的目标信息和导航系统输出的导航信息更新轨迹。本发明的优点在于充分考虑实际海洋环境中海流、波浪等干扰条件下威胁航行安全的动态水深因素和水面障碍物因素，克服了传统A*算法使用栅格化地图时只能进行离散角度搜索的缺陷，有效提高规划轨迹的安全性与实用性。

技术领域

本发明属于无人艇路径规划技术领域，尤其是一种考虑动态水深的无人艇动态安全轨迹规划方法。

背景技术

自主无人艇/水面机器人作为海洋机器人的重要一员，是连接空、天与深海的重要节点，这使其成为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋环境监测和保卫国家海洋安全的重要工具，日益受到各国重视。但无人艇运动规划与智能决策技术仍是制约其实现高度自治的瓶颈性因素之一。

在高动态、高不确定性的海洋环境中，实现无人艇个体以及集群的高度自治，需要考虑包括海图识别与环境建模、行为决策与运动规划、鲁棒路径跟踪控制方法等众多因素。相对于无人车、无人机，无人艇的运行环境更为复杂，除了风、浪、流等复杂环境干扰外，无人艇的惯性和运动响应时间也大于无人机和无人车，给实际控制与规划带来更大的不确定性。在解决无人艇决策规划问题时，传统运动规划方法在面临上述复杂环境时仍有较多不足。需要设计出包括环境约束、运动学和动力学约束、航行规则约束以及优化目标约束的复杂约束条件下可靠的行为决策和运动规划方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种考虑动态水深的无人艇动态安全轨迹规划方法，优化了传统的最短路径规划算法，解决了传统方法未考虑海浪和海流造成的环境扰动影响从而产生高碰撞风险非平滑的航线的问题，可以有效提高路径规划的安全性与实用性。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种考虑动态水深的无人艇动态安全轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤1、设定无人艇规划任务相关的参数；

步骤2、根据步骤1的参数，构建全局环境模型；

步骤3、利用LT-D*Lite算法进行全局路径规划；

步骤4、根据无人艇的感知系统输入的动态目标信息，基于无人艇的速度位置和速度信息建立局部态势图；

步骤5、判断无人艇的当前位置是否为终点，若到达终点则结束规划，否则重复步骤4，直至本艇到达终点。

而且，所述步骤1的具体实现方法为：所述任务相关的参数包括：无人艇的尺寸、吃水、操作性能、起点位置、终点位置、设定任务开始时间和航行速度。

而且，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、根据步骤1的无人艇航行的起点位置和终点位置的坐标，从海图库中提取预处理的矢量电子海图，再从矢量海图中提取电子海图属性数据、航行海域海图水深数据、海流数据和障碍物数据、海图定位误差并进行相应的格式转化与属性数据处理；

步骤2.2、计算最小安全水深，并根据无人艇水动力特性参数和海图图幅大小确定栅格的分辨率；

步骤2.3、根据步骤2.1所得到的航行海域海图水深数据、障碍物数据以及步骤2.2所的栅格的分辨率，采用插值算法对水深进行插值，获得栅格化预测水深；

步骤2.4、根据步骤1的设定任务开始时间和航行速度，通过预报数据获取任务水域水文、气象和潮汐信息；