[发明专利]一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法

说明书

本发明公开了一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法，该方法包括以下步骤：1)确定无人艇运动路径的起点和终点；2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角，以及无人艇运动的轨迹单元，求取可达路径点；4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。本发明方法建立了无人艇轨迹单元模型，并且提出了基于轨迹单元的无人艇运动规划算法，使得规划的路径在实际航行过程中更贴近实际的航行要求。

技术领域

本发明涉及海事智能交通技术，尤其涉及一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法。

背景技术

人工智能的发展与海洋资源的开发使得水面无人艇(USV)越来越多地承担起各种水上任务。而作为无人艇自主性的重要一部分，路径规划是能否完成各项水上任务的前提。但是由于无人艇可控程度较低、自由度较高，所以当其作为研究对象时，应从质点转变为欠驱动刚体来进行研究。相应地，其路径规划问题也应从路线规划转变为运动规划。与前者不同的是，运动规划不仅考虑了规划空间的约束，同时还对规划行为进行了详尽地讨论。而规划行为与研究对象的运动和动力学约束有关。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于轨迹单元的无人艇运动规划方法，包括以下步骤：

1)确定无人艇运动路径的起点和终点；

2)确定无人艇所处的实时路径点和艏向角；

3)根据无人艇所处的实时路径点和艏向角，以及无人艇运动的轨迹单元，求取可达路径点；

所述轨迹单元的生成方式如下：

3.1)利用MMG模型对无人艇进行运动建模，获得无人艇的运动轨迹；

3.2)采用无人艇轨迹离散化规则对无人艇的运动轨迹进行约束；包括以下离散化规则：

规则一：在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态稳定且保持一致；

规则二：每段轨迹的转舵次数不超过一次；

规则三：轨迹段所能达到的路径点和所能改变的艏向一一映射；

规则四：所有轨迹段的轮廓形状为方格或基于方格，以适应栅格地图；

3.3)根据步骤3.1)和3.2)完成轨迹单元的建模过程，并建立轨迹单元集；

4)对所有的可达路径点进行路径代价计算，获得下一个路径点位置和对应的艏向角；

5)判断该路径点是否为运动路径的终点，若为终点，则输出最终路径，否则，将该路径点和对应的艏向角作为无人艇所处的实时路径点和艏向角，转入步骤2)。

按上述方案，所述步骤3)种求取可达路径点，方法如下：

根据无人艇所处的实时路径点和艏向角，以及无人艇运动的轨迹单元，利用轨迹单元的几何特征，获得从实时路径点所能到达的路径点和相应的船艏向；

根据所能到达的路径点，搜索可达的内层路径点；所述内层路径点为地图上以所处的实时路径点为中心的8个临近点；

判断是否有路径点关联，若有则搜索可达的外层路径点；所述外层路径点为地图上以所处的实时路径点为中心的内层路径点的外层关联点；即地图上以所处的实时路径点为中心的内层路径点向外扩展一层的路径点。

按上述方案，所述步骤4)中的代价计算通过代价函数f(x)表示，具体如下：