[发明专利]一种无人艇全局路径规划方法

权利要求书

1.一种无人艇全局路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取无人艇运动状态信息和环境感知信息，其中运动状态信息包括：无人艇当前位置坐标(s_x,s_y)、速度u、航向角姿态角，环境感知信息包括障碍物位置坐标；

S2：采用栅格法建立环境模型，包括：

S2.1：选定无人艇作业区域范围；

S2.2：对无人艇作业区域进行栅格化，取栅格边长l＝u·Δt，其中，u为无人艇的平均航速，Δt为无人艇的运动控制节拍；

S2.3：对S2.2中的作业区域的栅格进行编码；

S2.4：将通过感知设备得到的作业区域内的障碍物元素标识到S2.3编码后的栅格中，包含障碍物的栅格为障碍物栅格，不包含障碍物的栅格为自由栅格，将障碍物栅格标记为0，将自由栅格标记为1；

S3：对每一个自由栅格采用K近邻学习算法进行危险度预测，预测结果为危险栅格的自由栅格标记为2；危险度预测包括：

S3.1:针对每一个预测栅格(x_p,y_p)，选取与预测栅格(x_p,y_p)的距离小于等于K个栅格长度的栅格组成决策集合，其中K为一个设定的正整数；

S3.2:在决策集中计算自由栅格数量与障碍物栅格数量的比例ε；如果ε＞p，则预测栅格为完全自由栅格；如果ε≤p，则预测栅格为危险栅格，其中p为预测系数，0≤p≤1；

S4：采用A*算法进行路径搜索，包括：

S4.1：建立OPEN列表和CLOSE列表，把起始栅格s添加到OPEN列表；

S4.2：寻找OPEN列表中估价函数f(m)最低的栅格，记为当前栅格i，把该栅格i移动到CLOSE列表；

S4.3：扩展当前栅格i，得到当前栅格i的全部相邻栅格，对每个相邻栅格执行以下操作：

S4.3.1:如果相邻栅格m为障碍物栅格或者已经在CLOSE列表中，略过它；否则执行接下来的步骤：

S4.3.2:如果相邻栅格m不在OPEN列表中，则把相邻栅格m添加到OPEN列表中，把当前栅格i作为相邻栅格m的父栅格，记录相邻栅格m的估价函数值f(m)、路径代价与安全代价之和G(m)和从当前栅格m到终点栅格最小代价的估计h(m)；

所述估价函数f(m)满足：

f(m)＝(1-ω)g(m)+ωs(m)+h(m)

式中，f(m)是栅格m的估价函数；g(m)是起始栅格到栅格m的路径代价；h(m)是从当前栅格m到终点栅格最小代价的估计；s(m)表示起点到栅格m的安全代价，依据对栅格安全评估后的结果确定每一个栅格的安全代价值r(m)，如果m为完全自由栅格则r(m)＝0，如果m为危险栅格则r(m)＝k，k为设定的常数，s(m)为从起始栅格到栅格m的每个路径节点安全代价值r(m)的累计和；ω为安全性与路径长短的代价比重，0≤ω＜1，ω越接近1表示安全性越重要；

所述路径代价与安全代价之和G(m)表示从起点栅格到栅格m的实际代价，即路径代价与安全代价之和：

G(m)＝(1-ω)g(m)+ωs(m)

所述从当前栅格m到终点栅格最小代价的估计h(m)在栅格地图中采用当前栅格到目标栅格的曼哈顿距离：

h(m)＝|m_x-t_x|+|m_y-t_y|

式中，m_x表示当前栅格m在栅格环境模型中横向坐标，m_y表示当前栅格m在栅格环境模型中纵向坐标，t_x表示目标栅格t在栅格环境模型中横向坐标，t_y表示目标栅格t在栅格环境中纵向坐标；

S4.3.3:如果相邻栅格m已经在OPEN列表中，如果满足：

G(m)＜G(i)+L(i,m)

则将相邻栅格m的父节点改成当前栅格i，并且重新计算相邻栅格m的G(m)和f(m)值；其中，L(i,m)表示从栅格i到相邻栅格m的实际路径代价；

如果栅格i与相邻栅格m是直连接，即满足：

|i_x-m_x|+|i_y-m_y|＝1

式中，i_x表示栅格i在栅格环境模型中的横向坐标，i_y表示栅格i在栅格环境模型中的纵向坐标，m_x表示栅格m在栅格环境模型中的横向坐标，m_y表示栅格m在栅格环境模型中的纵向坐标，则L(i,m)为一个栅格长度；

如果栅格i与其相邻栅格m是斜连接，即满足：

|i_x-m_x|+|i_y-m_y|＝2

式中，i_x表示栅格i在栅格环境模型中的横向坐标，i_y表示栅格i在栅格环境模型中的纵向坐标，m_x表示栅格m在栅格环境模型中的横向坐标，m_y表示栅格m在栅格环境模型中的纵向坐标，则L(i,m)为个栅格长度；

S4.4：重复执行S4.2-S4.3直至目标节点t添加进了CLOSE列表或者OPEN列表已经空了；当目标节点t添加进了CLOSE列表，则表明最优路径被找到，从目标栅格开始依次回溯父栅格，直到起始栅格，即得到从起始栅格到目标栅格的最优路径；没有找到目标节点，OPEN列表已经空了，表明路径不存在。

2.根据权利要求1所述的一种无人艇全局路径规划方法，其特征在于：S1中所述运动状态信息通过GPS和电子罗盘获取，所述环境感知信息通过激光雷达获取。