CN106767749A - 一种基于grd格式地图的路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于GRD格式地图的路径生成方法，实现自主水下机器人在变化海洋环境下的路径规划。包括以下步骤：读取GRD格式的地图文件获得地图信息；将获得的地图信息载入到地图转化软件中，根据地图信息，进行地图信息识别；根据潜水器的起始点，规划出下一个航行点的坐标，通常下一个航行点使用的是极坐标，将极坐标转换成大地坐标系。与简单的路径规划方法比较，本方法具有更好的性能，在热液探测环境下更有优势，更能适应外界环境的改变，提高了AUV的工作能力。本方法移植方便，可以适用于各种水下机器人。

Description

一种基于GRD格式地图的路径生成方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于GRD格式地图的路径生成方法。

背景技术

在海洋应用中，水下机器人发挥越来越重要的作用。水下机器人分成两类：一种是遥控式有缆水下机器人(简称ROV)，一种是自主水下机器人(简称AUV)。ROV需要水面母船支持，同时受到电缆长度的限制，其作业距离有限，一般只有几百米；而AUV自身携带能源，可以远离母船，活动距离达到几十公里甚至上百公里。所以AUV的研究越来越受到各国的重视，AUV的发展代表了未来水下机器人的发展方向。但是AUV的控制方法比ROV的控制方法复杂，只有设计出好的控制方法才能发挥出AUV强大的作业能力。

AUV执行地形勘查、管线跟踪都依赖于AUV的路径规划。通常在AUV工作前，获取当前海区的地图，然后根据地图进行规划，当地形起伏不是很大时，可以使用简单的定高模式和定深模式航行，但是对于复杂海区的情况下，这种方式规划出来的路径不能很好的实现任务需求，如果分段规划则费时费力，对于操作AUV的人员是一个很大的挑战，这种简单的方法不适用在复杂的环境下。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于GRD格式地图的路径生成方法，使规划路径的过程更简单，AUV执行的使命更加满足任务需求。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于GRD格式地图的路径生成方法，包括以下步骤：

读取GRD格式的地图文件获得地图信息；

根据所述地图信息，进行地图信息识别；

将获得的地图信息载入到地图转化软件中；

根据潜水器的起始点，规划出下一个航行点的坐标，将航行点的极坐标转换成大地坐标系。

所述地形信息包括经度、纬度、深度/高度。

所述地图信息识别，包括以下步骤：

根据选择的目标深度，获得等深线，同时根据选择的预定的起始点，按照正东、正南、正西、正北、东南、东北、西南和西北八个方向生成射线，计算各个方向上射线的梯度；

根据射线的梯度，选择绝对值最小的一个点作为下一航行点；

按照上述方法持续计算下一航行点，直到满足探测当前深度或者覆盖该地图的任务需求。

所述射线的梯度通过下式计算：

若函数t＝f(x,y,z)在点(x₀,y₀,z₀)处可微，则函数F(x)在点(x₀,y₀,z₀)处沿任一方向的方向倒数存在，其中各倒数均为在点(x₀,y₀,z₀)处的值，运用向量的数量积，可将方向导数计算公式表示为：

其中，

gradt称为梯度。

所述将得到的航行点的极坐标转换成大地坐标系，具体为：

下一个航行点的经纬度坐标(a₁,b₁)为：

其中，(a,b)为起始点的经纬度坐标，a为经度，b为纬度，ρ为起始点到航行点的距离，θ为起始点到航行点的连线与正北方向的夹角；

根据公式(2)和(3)，类推获得所有航行点的经纬度坐标。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.对于潜水器的模型不敏感，完全可以适用任何潜水器。

2.对于其它格式的地图也可以按照此方法进行扩展，只是在读取格式的时候进行不同的解码。

附图说明

图1为软件界面显示的地图；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的硬件要求是一台电脑，装载可以读取GRD格式的文件的程序，使用利用本方法编译的程序，将获得的地理信息显示出来，同时选择起始点，选择路径长度，生成规划。

本发明通过读取GRD格式的地图文件获得地形信息：经度、纬度、深度/高度，通过提取同一深度或者同一高度的坐标点，自动生成同一深度/高度的路径，同时覆盖当前海区。使用软件查看地图，同时将地图保存成需要的GRD格式，将获得的地图信息载入到地图转化软件中。

如图2所示，首先初始化某一程序，将获得的GRD格式的地图载入该程序，这时软件界面上显示类似图1所示的地图，此时根据该界面，可以知道当前海图内的深度/高度信息，选择入水点和制定梯度的规则，生成路径，如果某一路径不满足任务需求，可以手工修改，若都满足当前的任务需求，则保存路径。

本发明的中的自动生成路径的方法包含地图信息识别和坐标转换方法，以下详细描述这两方面内容：

本发明中的地图信息识别是指根据已有的地图信息，根据选择的目标深度，获得等深线，同时根据选择的预定的起始点，按照正东，正南，正西，正北，东南，东北，西南，西北八个方向生成射线，根据射线的梯度，计算下一个航行点。

若函数t＝f(x,y,z)在点(x₀,y₀,z₀)处可微，则函数F(x)在点(x₀,y₀,z₀)处沿任一方向的方向倒数存在，其中各倒数均为在点(x₀,y₀,z₀)处的值，运用向量的数量积，可将方向导数计算公式表示为：

其中，

gradt称为梯度。

本发明中的坐标转换方法，是将极坐标转换成大地坐标系。

已知起始点坐标(a,b)，a为经度，b为纬度；下一个航行点坐标为(ρ，θ)。ρ为起始点到航行点的距离，θ为起始点到航行点的连线与正北方向的夹角。

设航行点经纬度坐标为(a₁,b₁)

根据公式(2)、(3)，以此类推获得所有的航行点。此时航行点的目标深度值为起始点的目标深度。

Claims (5)

1.一种基于GRD格式地图的路径生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

读取GRD格式的地图文件获得地图信息；

根据所述地图信息，进行地图信息识别；

将获得的地图信息载入到地图转化软件中；

根据潜水器的起始点，规划出下一个航行点的坐标，将航行点的极坐标转换成大地坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种基于GRD格式地图的路径生成方法，其特征在于，所述地形信息包括经度、纬度、深度/高度。

3.根据权利要求1所述的一种基于GRD格式地图的路径生成方法，其特征在于，所述地图信息识别，包括以下步骤：

根据选择的目标深度，获得等深线，同时根据选择的预定的起始点，按照正东、正南、正西、正北、东南、东北、西南和西北八个方向生成射线，计算各个方向上射线的梯度；

根据射线的梯度，选择绝对值最小的一个点作为下一航行点；

按照上述方法持续计算下一航行点，直到满足探测当前深度或者覆盖该地图的任务需求。

4.根据权利要求3所述的一种基于GRD格式地图的路径生成方法，其特征在于，所述射线的梯度通过下式计算：

若函数t＝f(x,y,z)在点(x₀,y₀,z₀)处可微，则函数F(x)在点(x₀,y₀,z₀)处沿任一方向的方向倒数存在，其中各倒数均为在点(x₀,y₀,z₀)处的值，运用向量的数量积，可将方向导数计算公式表示为：

$\begin{array}{c}\frac{\∂t}{\∂l}=\frac{\∂t}{\∂x}cos\mathrm{\α}+\frac{\∂t}{\∂y}cos\mathrm{\β}+\frac{\∂t}{\∂z}cos\mathrm{\γ}\\ =gradt\·e\end{array}---\left(1\right)$

其中，

$gradt=\▿t=\frac{\∂t}{\∂x}i+\frac{\∂t}{\∂y}j+\frac{\∂t}{\∂z}k---\left(2\right)$

gradt称为梯度。

5.根据权利要求1所述的一种基于GRD格式地图的路径生成方法，其特征在于，所述将得到的航行点的极坐标转换成大地坐标系，具体为：

下一个航行点的经纬度坐标(a₁,b₁)为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1=a+\mathrm{\ρ}*sin\mathrm{\θ}/R*\mathrm{\π}/180\\ b_1=b+\mathrm{\ρ}*cos\mathrm{\θ}/R*\mathrm{\π}/180\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，(a,b)为起始点的经纬度坐标，a为经度，b为纬度，ρ为起始点到航行点的距离，θ为起始点到航行点的连线与正北方向的夹角；

根据公式(2)和(3)，类推获得所有航行点的经纬度坐标。