[发明专利]一种基于动力学约束的全局-局部混合无人船路径规划方法

说明书

本发明提供一种基于动力学约束的全局‑局部混合无人船路径规划方法。包括：S1、构建无人船运动学模型，并进行动力学分析；S2、考虑无人船安全范围，采用存储节点的方式，实现无人船全局路径的规划；以优化生成的路径点，约束无人船安全行驶。S3、针对动态的不可预见的环境，构建基于FDM模糊决策模块和FDW精准动态窗口模块的分层结构，实现无人船局部路径的规划；精确地将可驱动的前向、航向角速度和加速度考虑到局部路径的规划中，产生可跟踪且能够实现实时局部避碰的路径。S4、融合上述无人船全局路径规划和无人船局部路径规划方案，形成全局局部混合避障策略。通过在全局最优路径上插入虚拟路径点，使全局和局部路径规划完好结合，完成整个路径跟踪任务。

技术领域

本发明涉及无人船技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于动力学约束的全局-局部混合无人船路径规划方法。

背景技术

随着无人船技术在民用和军事领域的广泛应用，为了使无人船能够在人类无法到达的严峻环境下自主执行任务，设计一种符合无人船运动特性并能保证产生安全路径的路径规划方法显得尤为重要。在实际的路径规划算法中，要将全局规划和实时动态避碰结合，才能很好地解决路径规划问题。将地图处理为栅格地图的方法被许多游戏和机器人的路径规划所采用，这样的方法有A*方法、A*PS方法等等，但是这种方法产生的路径过长，且产生不现实的路径不能满足实际需求。有人基于A*方法提出一种可视图方法，但相比于A*方法其计算量更大，效率更低。一些智能搜索方法，例如蚁群方法、遗传方法、粒子群方法，这些方法通过不断进化迭代，最终产生路径，但这样的路径也不能满足实际行驶的需要。人工势场方法，具有计算简便且计算量小的特点，但可能导致无人船陷入局部极小值，使路径陷入死循环，导致事故的发生。

发明内容

根据上述提出已有的路径规划方法不能快速地产生一条符合无人船机动特性且能够进行实时避碰的最短路径的技术问题，而提供一种基于动力学约束的全局-局部混合无人船路径规划方法。本发明将无人船安全范围考虑到规划方法当中，并提出一种新型存储节点的方式，开发了全局路径规划方法，以优化生成的路径点，约束无人船安全行驶。针对动态的不可预见的环境，构建基于FDM模糊决策模块和FDW精准动态窗口模块的分层结构，通过控制前向和航向角速度，从而实现大范围和近距离的避碰。在FDM模糊决策模块与无人船动力学相关约束的作用下，精确地将可驱动的前向、航向角速度和加速度考虑到局部路径的规划中，从而产生可跟踪且能够实现实时局部避碰的路径。通过在全局最优路径上插入虚拟路径点，使全局和局部路径规划能完好结合，从而完成了整个路径跟踪任务。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于动力学约束的全局-局部混合无人船路径规划方法，包括如下步骤：

S1、构建无人船运动学模型，并对构建的无人船运动学模型进行动力学分析；

S2、考虑无人船安全范围，采用存储节点的方式，实现无人船全局路径的规划；

S3、针对动态的不可预见的环境，构建基于FDM模糊决策模块和FDW精准动态窗口模块的分层结构，实现无人船局部路径的规划；

S4、融合上述无人船全局路径规划方案和无人船局部路径规划方案，形成全局局部混合避障策略。

进一步地，所述步骤S1具体为：

S11、构建无人船运动学模型，所述无人船运动学模型具体如下：

其中，(x，y，ψ)表示无人船在地球坐标系的位置和航向，(u，v，r)分别表示在船体坐标系下无人船的前向速度、横向速度和航向角速度；

S12、针对欠驱动无人船模型，由于前向和偏航动力的限制，横向速度v是有界的，因此在动力学约束的情况下，需约束前向速度和航向角速度，且这两个速度受限于：