[发明专利]一种不等距分割可通行区域的路径规划方法

说明书

技术领域

    本发明属于机器人及低空飞行的飞行器路径或航迹规划的技术领域，具体涉及一种不等距分割可通行区域的路径规划方法，用于在有障碍的地图上进行路径规划。 

背景技术

    由于路径或航迹规划问题一般是NP-hard问题，也就是说并没有计算最优解的多项式时间算法，同时在飞行器实际飞行过程中，随时间的变化以及威胁和障碍的变化，计算航迹的算法更加复杂。如A*算法、蚁群算法、模拟退火、禁忌搜索算法，遗传算法，粒子群优化算法，遗传算法等，它们都有各自的优缺点。A*算法是一种启发式算法，在搜索过程中无需遍历地图，使得计算复杂度相对较小，实现了快速、高效。但是，这也导致搜索的过程中排除了大量节点，而由于经验及实际问题的复杂性，引入启发信息的代价函数无法做到完全正确，这些被排除的节点可能就是最优路径的节点之一，从而导致不一定能找到最优路径。蚁群算法发现较好解的能力很强，具有分布式计算、鲁棒性强、易于与其它方法结合等优点；但也存在收敛速度慢，容易陷入局部最优的缺点。遗传算法具有自然系统的自适应特征，算法在效率和效益之间的权衡使得它能适用不同环境并取得较好的效果，但也并不能保证达到全局优化，仍然可能陷入局部极值的陷阱。粒子群优化算法运行的初始阶段，收敛速度比较快，运动轨迹呈正弦波摆动，但运行一段时间后，速度开始减慢甚至停滞（称为早熟收敛或停滞），发生该现象时粒子群高度聚集，严重缺乏多样性，粒子群会长时间或永远跳不出聚集点。 

发明内容

    本发明为了解决现有规划算法时间有较大的时间复杂度和空间复杂度，提出一种基于可通行区域不等距分割的路径（或航迹）规划方法。 

本发明基于遍布障碍物的地图进行讨论，其中的障碍物包括阻碍飞行的高地、雷达或敌方火力威胁等。将地图中的高地、雷达、敌方火力威胁等视为障碍，每一个障碍可看成一个闭合曲线，运动物体不能进入闭合曲线内，而地图中剩余的部分为可通行区域。S点为运动物体的起点，E点为运动物体的目标点，假设运动物体要从S点运动到E点，从地图中找出一条或若干条路径（或航迹），见图1。 

  本发明采用如下技术方案完成，一种不等距分割可通行区域的路径规划方法，步骤如下： 

（1）计算每个障碍曲线的凸极值点；

（2）过每个凸极值点作水平线用以分割可通行区域；

（3）将每个分割成的小区域抽象成一个图的顶点；

（4）把所有顶点组成一个无向图；

（5）找出起点和终点所在小区域对应的顶点序号；

（6）对于无向图通过广度优先或深度优先遍历，找出所有的路径；

（7）再根据实际地图上的情形，找出运动物体实际所要行走的路径。

本发明具体步骤如下： 

1）障碍物建模

利用拟合曲线模拟障碍物的外沿，采用Bezier曲线，计算出构成曲线的所有点的横、纵坐标；

   2）计算障碍曲线的凸极值点

通过循环计算每段曲线上的极大值或极小值，进而求得曲线上的极值点坐标，仅保留障碍曲线的凸极值点；

3）水平分割可通行区域

通过凸极值点做水平切线对可通行区域进行一维分割，方法如下：求出所有曲线上的最大值与最小值，从而求出曲线的外接矩形，判断极值点纵坐标是否介于一个区域的最小值与最大值之间，如果是，则得到过该极值点的水平切线与一个区域相交；如果相交，求出交点坐标，并保存在一个数组中，求曲线的交点与极值点的距离；若距离的最小值>0,说明过极值点所做的水平切线只与一个区域相交，且在所交区域的左侧；同理，若距离的最大值<0,说明过极值点所做的水平切线也只与一个区域相交，且在所交区域的右侧；若距离有正有负，则说明过极值点所做水平切线不止与一个区域相交；最后画出经过每个极值点的水平切线；

4）可通行区域的存储

在区域存储过程中，使用队列将所有的区域存储；区域存储后，根据构造的邻接表中顶点间的邻接关系，抽象出一个无向图；具体方法如下：