[发明专利]一种基于导航误差约束的水面无人艇局部分层路径规划方法

说明书

本发明公开了一种基于导航误差约束的水面无人艇局部分层路径规划方法，主要步骤包括：基于导航误差约束并结合遗传算法的局部静态路径规划；融合海事规则的局部动态路径规划。本发明采用了分层思想，将局部路径规划划分为静态路径规划和动态路径规划两个层面，即解决了静态障碍物规避问题，又解决了动态障碍物规避问题；基于导航误差约束并结合遗传算法的静态路径规划减少了导航误差对路径选择造成的不利影响，提高了规划路径的安全性；融合海事规则的动态路径规划，考虑了水面无人艇自身的动力学约束，提高了规划路径的可行性。

技术领域

本发明涉及一种基于导航误差约束的水面无人艇局部分层路径规划方法，属于水面无人艇路径规划技术领域。

背景技术

随着科技的飞速发展，海上智能交通作为我国科技战略的重要组成部分，主要用于实现船舶航行的自动化和海上交通管理的智能化。因此，水面无人艇作为海上交通系统的个体船舶，对其航行路径的研究是很有必要的。路径规划是水面无人艇的一个重要研究领域，是水面无人艇能够安全完成巡航任务的前提。近年来，水面无人艇路径规划已经成为海上智能化的研究热点。

路径规划的方法有很多，因自身的优缺点而适用于各种不同的情况，大致可分为传统算法、图形法、智能仿生学算法以及其他算法等。传统算法有人工势场法、模糊逻辑算法和模拟退火算法等；图形法有可视图空间法、栅格法和voronoi图法等；智能仿生学算法有蚁群算法、神经网络算法、遗传算法和粒子群算法等；其他算法有A*算法、Dijkstra算法和Floyd算法等。

目前，绝大多数路径规划只划分为全局路径规划和局部路径规划两个层面，未考虑局部路径规划的分层问题，具有一定的局限性。此外，绝大多数静态路径规划均是假设在导航信息精确的前提下，水面无人艇能够精准地跟踪规划好的路径。但实际导航系统中存在误差，将会导致水面无人艇与实际障碍物之间的安全区域减少，会造成初始点到目标点的自由路径不存在。即使自由路径仍存在，也很有可能给水面无人艇带来如碰撞等不可预知的风险。因此，在路径规划过程中，导航误差的影响是不可忽视的问题，对水面无人艇的实际工程应用具有重要意义。

目前也有部分与本发明有关的研究报告，1、复杂海况下水面无人艇分层危险规避方法研究，哈尔滨工程大学,2014，该博士论文中虽然考虑了三个分层层面，但未考虑导航误差对路径规划的影响。2、一种基于导航误差空间的无人水下航行器路径规划方法，兵工学报，2014，35(8):1243-1250，该文献中虽然考虑了导航误差，但只是针对水下航行器进行了全局路径规划研究，且并未结合遗传算法。

发明内容

技术问题：本发明提供一种减少导航误差对路径选择造成的不利影响的基于导航误差约束的水面无人艇局部分层路径规划方法，该方法将局部路径规划划分为基于导航误差约束并结合遗传算法的局部静态路径规划以及融合海事规则的局部动态路径规划两个层面，综合考虑导航误差约束、水面无人艇自身动力学约束等限制条件，可以提高规划路径的安全性和可行性。

技术方案：本发明的基于导航误差约束的水面无人艇局部分层路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1)根据作业任务、电子海图和传感器得到的静态障碍物信息，采用直角坐标系和栅格法，将环境离散化为二维的基本单元栅格，通过对这些栅格的标示进行环境建模，初始化起点位置Start和目标点位置Goal；

步骤2)按照如下方式得到M条染色体：采用随机法在栅格地图上随机选取除起点位置Start和目标点位置Goal外的a个自由栅格点，把起点和目标点分为a+1段，然后采用A*算法连接起点、目标点和a个自由栅格点，使之成为一个可行的初始解，即得到一条有效的染色体；

将所述M条染色体作为初始种群，即为第一代种群，其中M为第一代种群的规模；