CN111256694A - 一种确定水面无人艇路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定水面无人艇路径的方法,涉及船舶领域，特别是无人艇在执行指定区域内巡逻任务时，有可疑目标入侵，需要无人艇自主规划航路前去拦截，此时对无人艇的路径规划提出了短时约束的要求。无人艇在前期进行艇体的数据整理，形成性能数据库，在通过其他传感器对周围态势进行构建后，提出无人艇路径的边界条件等约束。构建的无人艇运动学模型可以对运动轨迹进行计算，对路径规划方程时间取最优解。再通过构建无人艇动力学模型，得到艇体控制参数与艇体运动轨迹的对应关系，再与运动学模型对接，可以得到艇体基于短时约束的控制参数与规划路径关系。无人艇可按照本发明的路径规划方法，通过调整艇体控制参数达到最快到达目标附近的目的。

Description

一种确定水面无人艇路径的方法

技术领域

本发明涉及水面无人艇自主路径规划能力，特别是在有障碍物的环境态势下，寻找满足一定评价标准的路径，使其从起点安全的到达目标指定点。

背景技术

水面无人艇自主路径规划能力是评判无人艇性能的一项重要指标，即在有障碍物的环境态势下，寻找满足一定评价标准的路径，使其从起点安全的到达目标指定点，传统的路径规划方法是寻找能够遍历所覆盖区域的优解过程，且在制定航路过程中约定匀速航行。而无人艇由于其应用背景及应用场景的特殊性，会存在执行追击、拦截、驱离等高机动性、高时效性任务，需迅速自主控制航行到指定区域并可能会做出类人或超人极限驾驶动作，来更高质量的完成使命。无人艇的应用背景和历史使命等特点对无人艇的路径规划问题提出了更高的时间约束要求。现有技术中存在关于无人艇及无人飞行器有关路径规划的研究，具体现有技术方案有，针对无人艇全局路径规划问题，结合势场法结构简单、实时性良好和栅格法编码简便、易于实现的特点，设计了一种全局路径规划方法——势场动态栅格法。该方法将改进势场法与动态栅格法相结合，通过栅格动态细化的方式建立环境模型，应用改进势场法来逐步搜索最优路径，使路径精度逐步达到精度要求；再通过采用减少折线的优化处理，进一步减少中间多余的路径节点，最终使得输出路径最优。仿真实验运行结果表明该方法降低了计算复杂度，可有效避免陷入局部极小值点的问题，具有较强的全局路径规划能力。

以及，现有技术中“考虑了时间约束的无人飞行器航迹规划”在分析时间误差分配的基础上，提出了一种考虑时间约束的航迹规划方法。该方法对传统的航迹结构进行了改进，通过速度调整策略和在代价函数中加入时间约束驱使算法找到使到达目标点时间误差尽可能小的航迹同时，分别研究了起飞时间误差，速度调节能力及飞行速度误差三个因素对到达目标点时间误差的不同影响。

现有技术中技术缺陷同样存在。首先，现有技术中的路径规划中把无人艇作为一个质点，没有考虑艇体本身性能对路径规划带来的影响，对路径规划中没有加入时间约束。其次，无人飞行器航迹规划主要针对到达目标点的时间差约束，即满足到达指定目标的指定时间，没有针对航路过程的无人飞行器快速性深入研究，且无人飞行器的路径为三维立体空间位置，与无人艇的环境位置有所差异，故进行路径规划时也会有所不同。

发明内容

本发明提出了一种确定水面无人艇路径的方法，可为无人艇在执行高时效性、高机动性任务时对短时约束提供有效支撑。通过收集无人艇艇体运动数据，分析整理后形成无人艇运动性能数据库。调用海图等外部信息，定义边界等条件约束。基于运动学经验公式与艇体性能数据库，构建无人艇运动学模型，得到无人艇与艇体性能有关的路径规划方程，在短时约束即时间取最优解前提下，获得基于短时约束的路径算法。构建无人艇动力学模型，基于无人艇的艇体参数表征艇体外部载荷与艇体运动特征之间的动力学关系，即得到控制一定的转速、舵角、首向角等参数与艇体运动轨迹的对应关系。再结合短时约束的路径规划方程，可得基于短时约束的无人艇路径轨迹与船体控制参数的映射关系，即得基于短时约束的无人艇路径规划方法。

本发明共分以下6个部分：

1.收集整理无人艇艇体运动参数，形成运艇体运动性能数据库。数据库包括艇体基本参数与运动参数。基本参数包含船体主尺度、吃水、航速、位置信息等，运动参数包含艇体最大加速度、最小回转半径、不同速度下回转半径的速降比、最小制动距离与时间、最小起滑距离与时间、最大首向角速度、目标位置与速度信息等。将基本参数和运动参数分类整理，主要考虑航速、最小回转半径参数，最小回转直径一般与航速成正比关系。

2.调用海图等外部信息，定义边界等条件约束。以海图为代表的外界信息能够表示任务区域的态势环境，能为预规划的路径提供数据基础，可以定义出路径中的边界等限制约束条件。主要考虑航行区域大小、岛屿灯塔等障碍物信息。

3.基于运动学经验公式与艇体运动性能数据库，构建无人艇运动学模型。无人艇运动学模型主要包含艇体航行时间、航行速度、回转半径、回转速降比、首向角速度、目标位置与速度、任务区域态势组成等参数，在满足能够遍历任务区域条件约束下，充分加入无人艇的基本参数与运动参数，发挥无人艇的操作性与高机动性能。主要考虑在给定的航行区域内，航行速度、回转半径与回转速降比值，速降比一般与回转半径成反比关系。

4.建立无人艇路径规划方程，在短时约束条件下，获得基于短时约束的路径算法。通过构建的无人艇运动学模型，包含上述诸多参数前提下，可建立无人艇路径规划方程，即

L＝Ф(a，t，v，r，θ，k)

L表示任务区域路径距离；

a表示艇体加速度参数；

t表示艇体航行时间参数；

v表示艇体预定航行速度参数；

r表示艇体回转半径参数；

θ表示艇体首向角参数；

k表示回转速降比参数；

其中规划路径距离是与加速度、速度、时间、回转半径、首向角、速降比等诸多参数有关的复杂函数，艇体运动学性能数据库有对上述参数的数据保存分析，在调用数据基础上，对时间t取最小值优解，即得基于短时约束的路径算法，一般来说，若想时间t取小值，与距离值成正比，与速度值成反比。加速度越大、回转半径越小情况下，时间越短。

5.构建无人艇动力学模型，表征艇体外部载荷与艇体运动特征之间的动力学关系。无人艇在水动力控制作用下，外部载荷输入与艇体响应运动间存在对应关系，如一定条件下舵角控制与油门控制对应相应的无人艇艇体运动规律。在艇体运动学数据库中提取相应数据信息，通过模拟仿真与理论计算迭代结合计算，可以得到无人艇的运动轨迹与运动控制参数的对应关系。主要考虑输入油门和舵角参数与艇体的响应关系。一般来说，油门值越大、舵角越大，艇体相应速度与机动性能越好。

6.对接运动学模型与动力学模型接口，得到基于短时约束的无人艇路径规划方法。动力学模型可得到人艇的运动轨迹与运动控制参数的对应关系，运动学模型可得到基于短时约束的路径算法，将运动学模型中的规划路径输入给动力学模型的运动轨迹，可得基于短时约束的无人艇路径轨迹与船体控制参数的映射关系，即得基于短时约束的无人艇路径规划方法。本发明的确定路径规划的方法具体为：

提供一种确定水面无人艇路径的方法，包括如下步骤：

第一步，获取无人艇艇体运动参数；所述运动参数包括了艇的最大航速、最小回转半径；

第二步，将所述运动参数整理成无人艇艇体运动性能数据库；

第三步，调用海图信息，结合所述艇体性能数据库，定义边界条件约束；

第四步，构建无人艇艇体运动学模型，包含艇体航行时间、航行速度、回转半径、回转速降比、首向角速度、目标位置与速度、任务区域态势参数，用于表征艇体性能；

第五步，基于所述无人艇艇体运动学模型，建立运动规划方程，在调用所述艇艇体运动性能数据库基础上，对时间t取最小值优解，即得基于短时约束的路径算法；

第六步，无人艇在水动力控制作用下，外部载荷输入与艇体响应运动间存在对应关系，通过模拟仿真与理论计算迭代结合计算，可以得到无人艇的运动轨迹与运动控制参数的对应关系，即无人艇的动力学模型；

第七步，对第六步中所述的外部载荷输入与艇体相应进行分析，若满足艇体使用条件与性能参数范围，则进入第八步，若不满足条件，重新进入第四部进行参数修改；

第八步，将所述无人艇艇体运动学模型与无人艇的动力学模型对接，可得基于短时约束的无人艇路径轨迹与船体控制参数的映射关系，即得基于短时约束的无人艇路径规划方法。

本技术方案得作用效果是：

无人艇在需要快速到达指定区域进行作业时，通过本文基于时间约束的水面无人艇路径规划方法，可充分发挥船艇性能，在有限的外部条件约束下，能够以最短的时间到达目的地开始作业，在瞬息万变的环境态势改变中赢得先机，同时高机动性的水面无人艇可执行多种类人驾驶、超人驾驶控制动作，有效的保证有人驾驶的人员安全与人员适应性问题。

附图说明

图1路径规划流程图

具体实施方式

此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1中描述了本发明如何确定水面无人艇路径的方法流程，

第一，无人艇艇体性能参数收集主要收集艇体最大加速度、最小回转半径、制动时间、制动距离等船舶特性参数，并形成无人艇性能数据库。

第二，无人艇接收路径规划任务后，无人艇接收路径规划命令后，调用海图信息进行环境建模，定义边界条件等约束。

第三，构建无人艇运动学模型，建立特定无人艇运动学方程，得到基于短时约束的路径算法。

第四，无人艇动力学模型主要通过无人艇的艇体参数表征艇体外部载荷与艇体运动特性之间的关系。

第五，对动力学模型的外部载荷输入与艇体相应进行分析，若满足艇体使用条件与性能参数范围，则生成短时约束的无人艇路径规划方法，若不满足条件，重新进入运动学模型进行参数修改。

图1中描述的确定水面无人艇路径的方法流程可以具体细化为：

第一步，获取无人艇艇体运动参数；所述运动参数包括了艇的最大加速度、最小回转半径；

第二步，将所述运动参数整理成无人艇艇体运动性能数据库；

第三步，调用海图信息，结合所述艇体性能数据库，用于定义边界条件约束；

第四步，构建无人艇艇体运动学模型，包含艇体航行时间、航行速度、回转半径、回转速降比、首向角速度、目标位置与速度、任务区域态势参数，用于表征艇体性能；

第五步，基于所述无人艇艇体运动学模型，建立运动规划方程，

建立无人艇路径规划方程，在短时约束条件下，获得基于短时约束的路径算法；通过构建的无人艇运动学模型，包含上述诸多参数前提下，可建立无人艇路径规划方程，即

L＝Ф(a，t，v，r，θ，k)

L表示任务区域路径距离；

a表示艇体加速度参数；

t表示艇体航行时间参数；

v表示艇体预定航行速度参数；

r表示艇体回转半径参数；

θ表示艇体首向角参数；

k表示回转速降比参数；

在调用所述艇艇体运动性能数据库基础上，对时间t取最小值优解，即得基于短时约束的路径算法；

第六步，无人艇在水动力控制作用下，外部载荷输入与艇体响应运动间存在对应关系，通过模拟仿真与理论计算迭代结合计算，可以得到无人艇的运动轨迹与运动控制参数的对应关系，即无人艇的动力学模型；

第七步，对第六步中所述的外部载荷输入与艇体相应进行分析，若满足艇体使用条件与性能参数范围，则进入第八步，若不满足条件，重新进入第四部进行参数修改；

第八步，将所述无人艇艇体运动学模型与无人艇的动力学模型对接，可得基于短时约束的无人艇路径轨迹与船体控制参数的映射关系，即得基于短时约束的无人艇路径规划方法。

本发明的技术方案，可以使得无人艇在执行指定区域内巡逻任务时，有可疑目标入侵，需要无人艇自主规划航路前去拦截，此时对无人艇的路径规划提出了短时约束的要求。无人艇在前期进行艇体的数据整理，形成性能数据库，在通过其他传感器对周围态势进行构建后，提出无人艇路径的边界条件等约束。构建的无人艇运动学模型可以对运动轨迹进行计算，对路径规划方程时间取最优解。再通过构建无人艇动力学模型，得到艇体控制参数与艇体运动轨迹的对应关系，再与运动学模型对接，可以得到艇体基于短时约束的控制参数与规划路径关系。无人艇可按照本发明的路径规划方法，通过调整艇体控制参数达到最快到达目标附近的目的。

Claims (1)

1.一种确定水面无人艇路径的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，获取无人艇艇体运动参数；所述运动参数包括了艇的最大加速度、最小回转半径；

第二步，将所述运动参数整理成无人艇艇体运动性能数据库；

第三步，调用海图信息，结合所述艇体性能数据库，用于定义边界条件约束；

第四步，构建无人艇艇体运动学模型，包含艇体航行时间、航行速度、回转半径、回转速降比、首向角速度、目标位置与速度、任务区域态势参数，用于表征艇体性能；

第五步，基于所述无人艇艇体运动学模型，建立运动规划方程，

建立无人艇路径规划方程，在短时约束条件下，获得基于短时约束的路径算法；通过构建的无人艇运动学模型，包含上述诸多参数前提下，可建立无人艇路径规划方程，即

L＝Ф(a，t，v，r，θ，k)

L表示任务区域路径距离；

a表示艇体加速度参数；

t表示艇体航行时间参数；

v表示艇体预定航行速度参数；

r表示艇体回转半径参数；

θ表示艇体首向角参数；

k表示回转速降比参数；

在调用所述艇艇体运动性能数据库基础上，对时间t取最小值优解，即得基于短时约束的路径算法；

第六步，无人艇在水动力控制作用下，外部载荷输入与艇体响应运动间存在对应关系，通过模拟仿真与理论计算迭代结合计算，可以得到无人艇的运动轨迹与运动控制参数的对应关系，即无人艇的动力学模型；

第七步，对第六步中所述的外部载荷输入与艇体相应进行分析，若满足艇体使用条件与性能参数范围，则进入第八步，若不满足条件，重新进入第四部进行参数修改；

第八步，将所述无人艇艇体运动学模型与无人艇的动力学模型对接，可得基于短时约束的无人艇路径轨迹与船体控制参数的映射关系，即得基于短时约束的无人艇路径规划方法。

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