[发明专利]基于测地线的无人船航路规划方法及存储介质

说明书

本发明是一种基于测地线的无人船航路规划方法及存储介质，包括将风、浪、流等环境干扰用三角网格模型在黎曼空间中表示，将无人船系统变成无约束的力学系统进行控制，该系统运动轨迹为黎曼曲面上两点间的测地线，以此规划出无人船的航路。本发明不采用以往的无人船路径规划方法，而是将环境模型等效成黎曼曲面后，在上面进行数值计算得出三维曲面上的测地线，将其作为规划航路应用在无人船自主航行系统中。无约束的力学系统在黎曼空间的最优运动轨迹是黎曼空间的测地线，保障系统按照期望路线消耗能源最少、以较短时间、安全可靠地到达目的地。

技术领域

本发明涉及航路规划设计技术领域，具体涉及一种基于测地线的无人船航路规划方法及存储介质。

背景技术

无人船的系统是复杂系统，包含多种功能模块，航路规划是系统重要的模块之一。无人船在海上航行时从经济性和安全性两方面考虑，要求其能沿着特定的航线，即期望轨迹航行。但是，由于船舶不可避免地会受到风浪流等随机干扰的影响，船舶将偏离计划航迹，这样不但会消耗更多的能量，甚至会造成航行事故。因此，规划合理的航路对无人船的航行具有重要意义。

目前存在的技术问题有：

针对无人船的路径规划算法，如A*算法、人工势场法、遗传算法、蚁群算法等，虽然取得了较好的效果，但是均存在自己的问题和局限性。且目前路径规划主要集中在避障功能实现以及可行路径的快速生成方面，主要评价标准依赖于算法计算时间和收敛性，而对最优路径本身评价标准及最优路径选取则涉及较少。

发明内容

本发明提出的一种基于测地线的无人船航路规划方法，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于测地线的无人船航路规划方法，包括以下步骤，

S1、将外部环境因素对无人船的影响等效成黎曼曲面；

S2、将舵输入以及障碍物对无人船的影响等效成黎曼曲面；

S3、将外部环境因素、舵输入以及障碍物在曲面任一质点上产生的切向量进行矢量合成；

S4、求取曲面上两点间的测地线作为无人船的规划航路。

进一步的，所述S1、将外部环境因素对无人船的影响等效成黎曼曲面具体包括：

(1)海浪

以ξ-η为一个水平面，浪高的表达形式即：

式中，a_i为第i次谐波的幅值；ε_i为第i次谐波的初相位，是在0～2π之间均匀分布的随机变量；ω_i为第i次谐波的角频率；k_i为第i次谐波的波数，k_i＝ω_i²/g，g为重力加速度；μ为海浪方向角；

在重力场、风的双重作用下，水流产生变形就形成浪，黎曼空间表示就是浪形状本身；

(2)海风

根据时间常数相对于无人船航行时间将海上的风产生分为两类；第一类海风稳流风时间周期较大，幅值大小服从雷利分布；海风稳流风对船舶运动产生的影响与船舶遭遇风向角有关，在黎曼几何中斜面对无人船航行轨迹改变与海风对无人船吹拂后运动轨迹一致，针对不同的遭遇风向角，稳流风等效成不同倾斜程度的斜面；第二类海风湍流风，由无数谐波组成，其幅值、方向与频率都是随机变化的，用随机海浪理论分析其变化特性。

进一步的，所述S2、将舵输入以及障碍物对无人船的影响等效成黎曼曲面，具体包括：

(1)舵输入控制量