[发明专利]一种基于改进人工势场法的无人船路径规划方法

说明书

本发明涉及一种基于改进人工势场法的无人船路径规划方法，本发明包括：在传统人工势场法基础上，针对复杂的海洋环境和大多数障碍物形状不规则，改变其对障碍物视为质点的设置，对障碍物进行膨胀化处理并预留出转向区；当传统人工势场法构建的引力与斥力共线且方向相反时，无人船提前在转向区内进行转向，解决无人船路径规划陷入局部极小点问题；考虑到无人船实际应用的情况，避免在路径规划过程中合力方向突变和转角变化过大导致路径突变的问题，并加入无人船自身最大转角和最大角加速度限制，从而保证规划的路径能够顺利避障同时达到无人船转角变化小的效果。

技术领域

本发明涉及一种基于改进人工势场法的无人船路径规划方法，属于海洋无人器运动操纵及路径规划领域。

背景技术

目前，以无人船为代表的无人系统正在快速发展，大量无人系统被研制出来投入使用。但是无人船运动操纵的路径规划研究尚不成熟。

常用的路径规划方法有模拟退火算法、模糊逻辑算法、禁忌搜索算法、A*算法、人工势场法等。人工势场法较其他算法而言，具有运算时间短、实时性强、硬件适配性好等方面的优势。但是传统人工势场法在无人船运动操纵及路径规划领域的应用有如下问题：

(1)障碍物建模问题，无人船在复杂的海面航行，将障碍物视为质点，规划出的路径难以达到最优；

(2)局部极小点问题，容易让无人船陷入局部震荡，导致目标不可达；

(3)转角变化剧烈问题，无人船在实际航行过程中，转角变化要连续，不能突变，且不能超过无人船的最大转角。

综上所述，如何解决传统人工势场法在考虑无人船实际航行情况下的应用成为亟待解决的难点。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于改进人工势场法的无人船路径规划方法，解决传统人工势场法应用在无人船路径规划过程中的障碍物建模理想化、易陷入局部极小点和转角变化剧烈问题。

本发明为了解决上述问题采用以下技术方案：设计了一种基于改进人工势场法的无人船路径规划方法，在传统人工势场法基础上，对障碍物进行膨胀化处理并预留出转向区；当传统人工势场法构建的引力与斥力共线且方向相反时，让无人船提前在转向区内进行转向，解决无人船陷入局部极小点问题；加入无人船自身最大转角和最大角加速度限制，解决无人船转角变化剧烈问题。具体包括以下步骤：

步骤1：

建立地图中障碍物的圆形等效模型，将障碍物膨胀处理，预留出转向区，然后进入步骤2；

步骤2：

判断无人船是否到达目标点，是则结束，否则进入步骤3；

步骤3：

构建引力函数：

F_g(x)＝k·d(x,x_goal) (1)

式中：F_g(x)为引力函数，k为引力系数，x为无人船当前位置，x_goal为目标点位置，d(x,x_goal)是一个矢量，模长为无人船当前位置与目标点之间的距离，方向为无人船指向目标点。引力函数F_g(x)对无人船产生引力，在引力作用下，无人船前往目标点。

构建斥力函数：