[发明专利]一种面向受限水域的无人艇运动规划方法

说明书

本发明提供一种面向受限水域的无人艇运动规划方法，首先，构建无人艇动力学模型，在无人艇动力学模型和无人艇轨迹离散化规则的基础上，建立32个方向的轨迹单元；其次，提出LAA，并在其中建立16个节点搜索的单元格；此外，根据32个方向的轨迹单元约束，约束LAA的探索空间；调用LAA进行路径搜索，根据搜索得到的路径调用无人艇运动模型产生的轨迹单元；最后，根据追溯表信息不断调用无人艇运动模型产生的轨迹单元，进行路径的拼接，直至目的地。本发明针对现有的运动规划算法不适应受限水域条件限制，从而不能实现有效路径搜索问题，通过算法进行改进，从而在原有的算法基础上增加单元格标签，进而使无人艇在受限水域能实现更好的运动规划。

技术领域

本发明属于无人艇智能化领域，具体涉及一种无人艇运动规划方法。

背景技术

随着科学技术的发展，无人机、无人驾驶车辆、无人艇等的自动化水平与智能化水平得到了更进一步的发展。特别是无人机和无人汽车领域，无人机从原来的只有军用领域到现在广泛应用于民用领域，无人汽车从原来的理论概念提出到现在技术应用，包括特斯拉、谷歌、华为、微软、百度等科技公司也逐渐进入无人驾驶车辆领域，致力于提高无人驾驶车辆的智能化水平，推动其实现自动驾驶。无人艇领域发展相对无人机和无人驾驶车辆而言相对起步晚，但是得益于21世纪信息技术的高速发展，无人艇近几年发展迅速，智能化水平逐渐提高。无人艇因其能在危险的水域环境下执行任务、节约成本、工作效率高等特点将得到更广泛的应用。

在实现无人艇自动化与智能化以及无人艇执行复杂任务的过程中，路径规划是其关键技术之一。通常而言，A*算法在无人艇路径规划中比较常用，无人艇的路径规划从其是否受动力学、运动学等约束而言可以划分为三个阶段，分别是路线规划、航迹规划和运动规划。在路线规划阶段，将无人艇看成一个质点进行路径规划。在航迹规划阶段，增加无人艇的部分约束，如增加速度或者形状等约束进行路径规划。在运动规划阶段，对无人艇进行较全面的运动学和动力学考虑，实现无人艇的较精确路径规划。但是目前在上述的各个不同的路径规划阶段中应用A*算法，会出现局部最优或者复杂环境下(此处的复杂环境为多岛礁或者狭长水域)搜索不到路径的问题。

针对A*算法应用于无人艇路径规划的问题，有许多学者在无人艇路径规划各个不同的阶段对其进行过探索。在路线规划阶段，如杜哲等用基于复杂地图结合A*算法进行路径搜索，实现了无人艇对态势感知条件下的避障路径规划，但是其没有解决复杂环境下应用A*算法搜索路径问题。在航迹规划阶段，也有很多学者对其进行探索，如Joe-Ming Yang等通过增加 A*搜索算法的角度来实现更大概率搜索路径，总体而言，其搜索的路径在一定程度上优于8 个方向的A*算法搜索路径长度，但是仍然忽略了解决复杂环境下路径节点再次被搜索的问题。Rui Song等在常规的A*算法进行无人艇搜索路径之后，通过减少必要的节点实现路径的平滑，并且其经过实验验证了该平滑A*算法能够在较短的路径下达到目标点，但是没有解决在狭长水域A*算法不能二次搜索路径点的问题。在运动规划阶段，也有很多学者对其进行过探索，如杜哲等通过建立轨迹单元，考虑无人艇动力学要求的情况下，结合A*算法实现无人艇在自由空间和障碍物条件下的运动规划。同样的，其也没有解决在应用A*算法进行路径搜索过程中搜索过的节点不能再次被搜索的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种无人艇运动规划方法，使得搜索过的节点能够再被重新搜索到，从而更好的解决无人艇在受限水域运动规划问题。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种面向受限水域的无人艇运动规划方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、构建无人艇动力学模型及轨迹单元：

按照常规方式构建无人艇动力学模型；

构建无人艇轨迹离散化规则：规则一、在轨迹段初始和结束时刻，无人艇的运动状态保持一致；规则二、每段轨迹单元的转舵次数不超过一次；规则三、轨迹单元分为三类，每种类型的轨迹单元直线距离都相等，这三类轨迹单元的半径长度依次定义为R1、R2和R3；