CN107727098A - 一种依次巡查多个目标位置的无人水面艇路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种依次巡查多个目标的水面无人艇路径规划方法。包括使用栅格法对电子海图中的障碍物信息进行环境建模；对每个目标点（可能在海上可行区域，也可能在大陆、岛屿等无法通行的区域）搜索与其最近的非障碍物位置；使用启发式搜索方法对上一步获得的可通行区域上的路径点对依次应用路径规划搜索。通过使用本发明所提出的方法，无论目标位置是在海面上还是在岛屿、暗礁等不可通行区域，都能对该目标尽可能地进行有效探测；并且无人水面艇在完成巡查任务的同时，也保证了不与障碍物发生碰撞的安全性条件。利用本发明可以快速有效地完成依次巡查多个目标位置的路径规划任务。

Description

一种依次巡查多个目标位置的无人水面艇路径规划方法

技术领域

本发明涉及路径规划技术领域，具体是一种依次巡查多个目标的水面无人艇路径规划方法。

背景技术

无人水面艇是一个拥有自主运行能力的小型水面任务平台，它可以执行的任务种类非常多，除了对环境和目标进行检测这些基础功能之外，还可以针对具体的任务类型，采用不同的模块设备来完成任务目标。目前由于其在军事领域的杰出表现和前景，世界各国都对军用无人水面艇的研发表现出很强烈的兴趣。同时因为无人水面艇在科研与民用应用中有着覆盖范围大、成本低的特点，所以无人艇在这些领域也有着广泛的应用前景。

无人水面艇自主运行能力的强弱是由路径规划能力所直接决定的。全局路径规划是利用已知的静态障碍物的信息，规划出一条避开所有已知障碍物，并且能够完成目标任务的路径，从而指导无人水面艇更高效地完成路径规划任务。目前的全局路径规划的研究大多集中在经典的“规划一条从起点到终点”的问题上。而像依次巡查多个目标位置的任务这样在实际中所需求的任务却并没有受到太多关注。

在水面无人艇的实际应用中，可能要求其依次对几个关键位置测量环境参数或者进行安全性的查看。在这些任务中都要求无人水面艇能够尽可能地依次对这几个目标位置进行探查，并且无人水面艇需要在保证不发生碰撞的前提下，走最短的路线。在该任务中，路径规划能够依据已知的障碍物信息，提前规划出一条满足任务要求的路径，进而指导无人水面艇高效地完成任务。因此设计一个依次巡查多个目标位置的无人水面艇路径规划算法是具有很大的价值的。

发明内容

本发明目的是提供一种快速、有效的依次巡查多个目标位置的无人水面艇路径规划方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种依次巡查多个目标位置的无人水面艇路径规划方法，包括以下步骤：

(1)使用栅格法对电子海图中的障碍物信息进行环境建模；

(2)对每个目标点搜索与其最近的非障碍物位置；所述目标点在海上的能够通行区域，或在大陆、岛屿上的无法通行区域；

(3)使用启发式搜索方法对步骤(2)获得的能够通行区域上的路径点对依次应用路径规划搜索。

所述步骤(1)具体步骤包括：

(1-1)依据所需规划的区域的信息，使用栅格法建立初始的内部环境地图；

(1-2)从电子海图中读取大陆、岛屿的无法通行的区域的信息；

(1-3)对获取到的障碍物信息，在内部环境地图上进行表示。

所述步骤(2)搜索与各个指定目标位置最近的能够通行位置，具体包括：

(2-1)创建列表free_targets，并初始化为空；

(2-2)初始化队列queue，获取第一个目标点的位置信息，并将其加入队列queue；

(2-3)尝试从队列queue中获取节点cur；

(2-4)判断该节点是否处于无法通行区域，是则继续执行，否则转到步骤(2-6)；

(2-5)将该节点的相邻节点加入队列queue，之后转至步骤(2-3)；

(2-6)将当前节点添加到列表free_targets中；

(2-7)判断是否存在下一个目标点，如果存在继续执行，否则退出；

(2-8)清空队列queue，并将下一个目标点加入队列queue，之后转至步骤(2-3)。

所述步骤(3)中，使用Theta*这种保证最终路径和实际路径相差不大的启发式搜索方法对步骤(2)获得的能够通行的目标位置free_targets中的相邻的路径点依次应用路径规划搜索，具体包括：

(3-1)创建列表path，并初始化为空，并设置当前的目标点为起始点S，下一个目标点为终止点E；

(3-2)创建OPEN和CLOSED表，并将它们初始化为空；

(3-3)将起始点S放入到OPEN表内；

(3-4)从OPEN表中选出估计总代价值最小的节点作为当前点x，并将其从OPEN表移到CLOSE表中；

(3-5)判断当前点x是否为终点E，是则继续执行，否则转至步骤(3-9)；

(3-6)依据回溯法得到最终的完整路径，并将这些路径点都加入到列表path中；

(3-7)设置下一个目标点为当前点，判断是否存在下一个目标点，是则继续执行，否则退出；

(3-8)清空OPEN和CLOSED表，并设置当前的目标点为起始点S，下一个目标点为终止点E；

(3-9)对当前节点x的相邻点进行搜索，如果搜索点y不再OPEN或者CLOSE表中，则继续执行，否则转至步骤(3-11)；

(3-10)计算搜索点y的估计总代价值，将其加入到OPEN表中，并记录其父节点为x；

(3-11)判断当前节点x的父节点x'与搜索点y之间是否存在障碍物，如果存在继续执行，否则转至步骤(3-13)；

(3-12)直接比较经过当前节点x到达遍历点y的实际代价与之前遍历点y的实际代价，如果经过节点x的实际代价更小，则更新表中的代价，并将节点y的父节点指向x，之后转至步骤(3-4)；

(3-13)将经过当前节点父节点x'到达遍历点y的实际代价和之前遍历点y的实际代价相比，如果前者的值更小，则更新表中的代价，并将节点y的父节点指向x'，之后转至步骤(3-4)。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)无论目标位置是在海面上还是在岛屿，暗礁等不可通行区域，都能对该目标尽可能地进行有效探测。具体表现为，当目标位置处于可行区域时，无人艇应经过该目标点；而当目标位置处于不可行区域时，无人艇应尽量靠近目标位置。

(2)水面无人艇在完成了依次对多个目标位置进行探查的任务后，也保证了不与障碍物发生碰撞的安全性条件。

(3)通过首先确定与距离指定巡查目标最近的可行驶到的目标位置，接着再对这些目标位置依次使用路径规划方法探测的方法，可以快速有效地完成依次巡查多个目标位置的路径规划任务。

附图说明

图1为本发明的整体方法流程示意图。

图2为本发明中搜索与各个目标点最近的非障碍物目标位置的流程示意图。

图3为本发明中在各个非障碍物目标点间进行路径规划的启发式算法流程图。

图4为本发明的方法的仿真实验效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，一种依次巡查多个目标位置的水面无人艇路径规划方法，通过以下三个步骤实现：

步骤一：使用栅格法对电子海图中的障碍物信息进行环境建模。

(1-1)依据所需规划的区域的信息，使用栅格法建立初始的内部环境地图；

首先在电子海图的可视化界面上选取一系列的需要巡航的目标位置，依据这些点的坐标信息，生成一个包含了所有目标位置的矩形区域，之后根据该矩形区域的大小和选取的栅格的尺寸，以数组的形式构造出栅格。

(1-2)从电子海图中读取大陆、岛屿等无法通行的区域的信息。

从电子海图中读取包含了所有目标位置的矩形区域内的大陆、岛屿等障碍物的信息。

(1-3)对获取到的障碍物信息，在内部环境地图上进行表示。

将上面得到的障碍物信息在栅格地图中表示出来，对于栅格地图的值来说，使用1表示该栅格中有障碍物，使用0表示该栅格中不存在障碍物。

步骤二：对每个目标点(可能在海上可行区域，也可能在大陆、岛屿等无法通行的区域)，使用图2所示的方法搜索与其最近的非障碍物位置：

在搜索过程中，设定每个节点可以到达的下一个节点，即搜索领域为八领域，分别为：前，后，左，右，左前，右前，左后，右后。

(2-1)创建列表free_targets，并初始化为空；

(2-2)初始化队列queue，获取第一个目标点的位置信息，并将其加入队列queue；

(2-3)尝试从队列queue中获取当前节点cur；

(2-4)判断该节点是否处于不可行区域，是则继续执行，否则转到步骤(2-6)；

(2-5)将该节点的相邻的八个节点加入队列queue，之后转至步骤(2-3)；

(2-6)将当前节点添加到列表free_targets中；

(2-7)判断是否存在下一个目标点，如果存在则继续执行，否则退出；

(2-8)清空队列queue，并将下一个目标点加入队列queue，之后转至步骤(2-3)。

此时先前可能存在于大陆、岛屿等无法通行的区域的巡查目标都转换到了现在的实际可行驶到的目标处。

步骤三：如图3所示，通过使用Theta*这种可以保证最终路径和实际路径相差不大的启发式搜索方法，来对上一步获得的可通行的目标位置(free_targets)中的相邻的路径点依次应用路径规划搜索：

对free_targets中的点a,b,c,..，依次选取点对(a,b),(b,c),…进行基于Theta*的路径规划计算。对于路径规划中对当前节点x的领域的搜索，这里依旧可以采用前，后，左，右，左前，左后，右前，右后这八个领域来实现。

在应用启发式搜索算法的时候，需要计算三个值，分别为：x点的实际代价值g(x)，从x点到达目标点的估计代价值h(x)，和x点的估计总代价值f(x)。实际代价值为其父节点的实际代价值再加上从父节点到该节点的代价值，从父节点到该节点的代价值采用欧式距离来计算，公式为其中(x,y)和(x₀,y₀)分别表示需要计算欧式距离的两点的坐标值。从x点到达目标点的估计代价值采用欧式距离来计算从该点到目标点的距离来进行估算。当前点x的估计总代价为x的实际代价与从x点到目标点的估计总代价之和。

(3-1)创建列表path，并初始化为空，并设置当前的目标点为起始点S，下一个目标点为终止点E；

(3-2)创建OPEN和CLOSED表，并将它们初始化为空；

(3-3)将起始点S放入到OPEN表内；

(3-4)从OPEN表中选出估计总代价值最小的节点作为当前点x，并将其从OPEN表移到CLOSE表中；

(3-5)判断当前点x是否为终点E，是则继续执行，否则转至步骤(3-9)；

(3-6)依据回溯法得到最终的完整路径，并将这些路径点都加入到列表path中；

(3-7)设置下一个目标点为当前点，判断是否存在下一个目标点，是则继续执行，否则退出；

(3-8)清空OPEN和CLOSED表，并设置当前的目标点为起始点S，下一个目标点为终止点E；

(3-9)对当前节点x的相邻点进行搜索，如果搜索点y不在OPEN或者CLOSE表中，则继续执行，否则转至步骤(3-11)；

(3-10)计算搜索点y的估计总代价值，将其加入到OPEN表中，并记录其父节点为x；

(3-11)判断当前节点x的父节点x'与搜索点y之间是否存在障碍物，如果存在继续执行，否则转至步骤(3-13)；

(3-12)直接比较经过当前节点x到达遍历点y的实际代价与之前遍历点y的实际代价，如果经过节点x的实际代价更小，则更新表中的代价，并将节点y的父节点指向x，之后转至步骤(3-4)；

(3-13)将经过当前节点父节点x'到达遍历点y的实际代价和之前遍历点y的实际代价相比，如果前者的值更小，则更新表中的代价，并将节点y的父节点指向x'，之后转至步骤(3-4)。

图4为我们的方法的仿真效果图，可以看出我们的依次巡查多个目标位置的算法在完成了我们的任务目标的前提下避开了所有障碍物。

Claims (4)

1.一种依次巡查多个目标位置的无人水面艇路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用栅格法对电子海图中的障碍物信息进行环境建模；

(2)对每个目标点搜索与其最近的非障碍物位置；所述目标点在海上的能够通行区域，或在大陆、岛屿上的无法通行区域；

(3)使用启发式搜索方法对步骤(2)获得的能够通行区域上的路径点对依次应用路径规划搜索。

2.根据权利要求1所述的依次巡查多个目标位置的无人艇路径规划方法，其特征在于，所述步骤(1)具体步骤包括：

(1-1)依据所需规划的区域的信息，使用栅格法建立初始的内部环境地图；

(1-2)从电子海图中读取大陆、岛屿的无法通行的区域的信息；

(1-3)对获取到的障碍物信息，在内部环境地图上进行表示。

3.根据权利要求1所述的依次巡查多个目标位置的无人艇路径规划方法，其特征在于，所述步骤(2)搜索与各个指定目标位置最近的能够通行位置，具体包括：

(2-1)创建列表freetargets，并初始化为空；

(2-2)初始化队列queue，获取第一个目标点的位置信息，并将其加入队列queue；

(2-3)尝试从队列queue中获取节点cur；

(2-4)判断该节点是否处于无法通行区域，是则继续执行，否则转到步骤(2-6)；

(2-5)将该节点的相邻节点加入队列queue，之后转至步骤(2-3)；

(2-6)将当前节点添加到列表freetargets中；

(2-7)判断是否存在下一个目标点，如果存在继续执行，否则退出；

(2-8)清空队列queue，并将下一个目标点加入队列queue，之后转至步骤(2-3)。

4.根据权利要求1所述的依次巡查多个目标位置的无人艇路径规划方法，其特征在于，所述步骤(3)中，使用Theta*这种保证最终路径和实际路径相差不大的启发式搜索方法对步骤(2)获得的能够通行的目标位置freetargets中的相邻的路径点依次应用路径规划搜索，具体包括：

(3-1)创建列表path，并初始化为空，并设置当前的目标点为起始点S，下一个目标点为终止点E；

(3-2)创建OPEN和CLOSED表，并将它们初始化为空；

(3-3)将起始点S放入到OPEN表内；

(3-4)从OPEN表中选出估计总代价值最小的节点作为当前点x，并将其从OPEN表移到CLOSE表中；

(3-5)判断当前点x是否为终点E，是则继续执行，否则转至步骤(3-9)；

(3-6)依据回溯法得到最终的完整路径，并将这些路径点都加入到列表path中；

(3-7)设置下一个目标点为当前点，判断是否存在下一个目标点，是则继续执行，否则退出；

(3-8)清空OPEN和CLOSED表，并设置当前的目标点为起始点S，下一个目标点为终止点E；

(3-9)对当前节点x的相邻点进行搜索，如果搜索点y不再OPEN或者CLOSE表中，则继续执行，否则转至步骤(3-11)；

(3-10)计算搜索点y的估计总代价值，将其加入到OPEN表中，并记录其父节点为x；

(3-11)判断当前节点x的父节点x'与搜索点y之间是否存在障碍物，如果存在继续执行，否则转至步骤(3-13)；

(3-12)直接比较经过当前节点x到达遍历点y的实际代价与之前遍历点y的实际代价，如果经过节点x的实际代价更小，则更新表中的代价，并将节点y的父节点指向x，之后转至步骤(3-4)；

(3-13)将经过当前节点父节点x'到达遍历点y的实际代价和之前遍历点y的实际代价相比，如果前者的值更小，则更新表中的代价，并将节点y的父节点指向x'，之后转至步骤(3-4)。