[发明专利]一种基于光反射特性的无人船全局路径规划方法

说明书

本发明涉及一种基于光反射特性的无人船全局路径规划方法，包括：S1、获取待规划的路径的起点、目标点以及环境信息；S2、获取从起点发射的N条不同辐射角的发射射线，以及从目标点发射的N条不同辐射角的目标射线；S3、基于光反射特性，对起点发射出的每一条发射射线进行反射扩张处理，直至该射线抵达目标区域；S4、从目标点开始，对每一条抵达目标区域的射线轨迹进行修正，获得修正后的从起点到目标点的多条路径；S5、输出多个路径中最短的路径，获得规划路径。本发明算法收敛速度快，能在较短的时间内寻找到安全、可靠的路径，在广阔海域、复杂海况中，能在规定时间内，有效、迅速的寻找到最优路径。

技术领域

本发明属于无人船舶路径规划领域，尤其涉及一种基于光反射特性的无人船全局路径规划方法。

背景技术

无人船全局路径规划方法是根据已知的全局环境信息，寻找一条从起始点到目标点的安全可行路线，是无人船路径规划与导航方面需要研究的关键问题之一，直接关系着无人船在海上航行的安全性和经济性。用于无人船路径规划的算法需要满足两个准则：收敛时间越短越好，路径越短越好。

目前，全局路径规划算法主要有基于图搜索算法、人工势场法、向量场法、概率性算法、基于网格的算法、利用启发函数提高收敛速度的算法等。基于图搜索算法首先使用可视图法、维诺图法等基于图形成路线图，然后使用最短路径法，如Dijkstra等，在路线图中寻找最短路径。基于图搜索算法由于时间复杂度高，在广阔海域、复杂海况中寻路耗时巨大，所以很难应用于实际的无人船路径规划中。人工势场法、向量场法等算法将船在周围环境中的运动，设计成一种抽象的人造引力场中的运动，目标点对船产生“引力”，障碍物对船产生“斥力”，最后通过求合力来控制无人船的运动。人工势场法、向量场法等算法规划出的路径一般比较光滑且安全，但存在局部最优的问题，当目标点附近有障碍物时，无人船永远达到不了目标点。概率性算法，如快速搜索随机树法、随机路线法等，此类算法是基于随机抽样的算法，由于算法的随机性，不能保证此算法得出的路径最优。基于网格的算法利用了深度优先搜索，由于局部最小化的可能性，此类算法不能保证搜索出的路径最优，例如，基于网格的人工势场法，它规划出的路径形状，完全取决于网格的大小，网格越细密，寻找的路径越接近最优路径，但是，相应的寻路时间也会变长。利用启发函数提高收敛速度的算法，例如A*算法，theta*算法，快速行进算法(Fast Marching Method，FMM)等，此类算法的寻路速度同样取决于环境的大小和栅格的大小。

上述算法无法适用于在动态环境中，在规定时间内规划出无人船的下一步路线图的场景，特别是无人船需要在规定时间内判断是否会碰撞静态的、动态的障碍物的应用环境。因此，在无人船的路径规划中，亟需提出一个使用限制少、寻路速度快的无人船全局路径规划方法。

发明内容

(一)发明目的

本发明利用自然界中光沿直线传播和反射的特性进行建模，使得无人船在探索自由空间时，不受步长、栅格大小等其他因素的限制。可以快速的进行寻路，在规定时间内规划出无人船全局路径。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于光反射特性的无人船全局路径规划方法，包括：

S1、获取待规划的路径的起点、目标点以及环境信息；所述环境信息包括无人船舶航线区域的环境边界信息以及障碍物信息；

S2、获取从起点发射的N条不同辐射角的发射射线，以及从目标点发射的N条不同辐射角的目标射线；其中，N为大于等于1的自然数，所述发射射线以及目标射线碰到障碍物或环境边界即止；

S3、基于光反射特性，对起点发射出的每一条发射射线进行反射扩张处理，直至该射线抵达目标区域；所述反射扩张处理包括：对抵达障碍物边界和环境边界的发射射线进行多次反射，直至多次反射的发射射线抵达目标区域，获得多条从起点到目标点的射线轨迹；所述目标区域为N条不同辐射角的目标射线；