CN108489492A - 一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统和方法 - Google Patents

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葛磊
李小毛
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Abstract

本发明公开了一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统及方法。系统包括：无人水面艇、路径规划模块、控制模块、GPS/IMU模块、环境感知模块、海况监测模块；路径规划模块和控制模块安装在无人艇内部，它们依据环境信息和计算出的海浪等级规划出一系列路径点，并控制无人艇沿着其航行；环境感知模块由电子海图和激光传感器组成，前者安装在无人艇内，提供了静态障碍物信息，后者通过支架安装在无人艇甲板前方，用来提供障碍物信息；GPS/IMU传感器安装于无人艇顶部，给予其他模块无人艇的位姿信息；海况监测模块使用的是航海雷达，并计算出海浪的等级。该考虑海况因素的无人艇路径规划系统和方法可靠合理，并提高了无人艇路径规划的合理性。

Description

一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统和方法
技术领域
本发明涉及一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统及方法，属于无人艇路径规划领域。
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。
与无人车的路径规划不同，在海面上，无人艇的运动受海浪的影响较大，若不考虑实际航行时的海浪影响，那么规划出的路径对于实际的无人艇的参考价值有限。如果在海浪等级较低的假设下进行路径规划，当实际运行在海浪等级较高的场景下时，将很有可能会发生碰撞。而如果在风平浪静时，使用适用于较高的海浪等级下的安全性较高的路径规划方式，就会由于过于保守而花费了过多的时间和能量来完成无人艇的任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统及方法，解决了一般路径规划未考虑海浪造成的环境扰动影响，从而不能生成符合实际环境条件的路径。本发明可以有效提高路径规划的实用性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统，包括无人水面艇、海况监测模块、环境感知模块、GPS/IMU模块、路径规划模块、控制模块；所述路径规划模块安装于所述无人水面艇内部，依据环境感知模块所获得的障碍物信息及海况监测模块所估计的海浪等级计算出所要到达的一系列目标点；所述控制模块安装在无人水面艇内部，控制无人水面艇依次到达所规划出的一系列目标点；所述环境感知模块由电子海图和激光传感器组成，电子海图安装在无人水面艇内，用来读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，激光传感器通过支架安装在无人水面艇甲板前方，用来探测船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块安装于无人水面艇顶部，获得无人水面艇的位置和姿态信息，并提供给路径规划模块、控制模块；所述海况监测模块使用的是航海雷达，其通过支架安装在无人水面艇甲板高处，通过航海雷达计算出海浪等级的海洋状况。
一种考虑海况因素的无人艇路径规划方法，使用上述的路径规划系统，具体步骤如下：
S01，设置最终目标点G；
S02，判断是否达到最终目标点：依据GPS/IMU模块中的位置信息判断无人水面艇是否到达最终的目标点，如果到达终点，则返回完成任务；否则继续进行S03；
S03，利用环境感知模块的信息进行环境建模：使用栅格地图将从电子海图和激光传感器获得的障碍物信息表示出来；
S04，依据海况监测模块计算的海浪等级对障碍物信息进行安全性处理：通过航海雷达对海浪进行分析处理，计算出海浪的等级，依据海浪等级对障碍物进行膨胀处理来达到安全性的保障；
S05，路径规划模块在栅格地图中规划出一条路径：通过路径规划算法在之前所建立的考虑了海浪等级的栅格地图中规划出一条满足任务需求的路径；
S06，控制模块控制无人水面艇沿着规划出的路径航行，并跳转到S02。
与现有技术相比，本发明的突出特点是：
本发明路径规划系统可靠合理，如果不考虑海浪等级，而在不同的海况下采用完全相同的路径规划方法进行求解的话，那么将会在海浪等级较低时，出现规划路径过于保守的情况；或者在海浪等级较高时，出现无人艇沿着规划的路径航行时，被海浪推向障碍物发生危险的情况。通过使用该考虑了海浪因素的无人艇路径规划系统和方法，可以有效解决上面提到的问题，有效提高了无人艇路径规划的合理性。
附图说明
图1是本发明的考虑海况因素的无人艇路径规划系统示意图。
图2是本发明的考虑海况因素的无人艇路径规划方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。
如图1所示，一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统，其特征在于：包括无人水面艇1、海况监测模块2、环境感知模块3、GPS/IMU模块4、路径规划模块5、控制模块6；所述路径规划模块5安装于所述无人水面艇1内部，依据环境感知模块3所获得的障碍物信息及海况监测模块2所估计的海浪等级计算出所要到达的一系列目标点；所述控制模块6安装在无人水面艇1内部，控制无人水面艇1依次到达所规划出的一系列目标点；所述环境感知模块3由电子海图和激光传感器组成，电子海图安装在无人水面艇1内，用来读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，激光传感器通过支架安装在无人水面艇1甲板前方，用来探测船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块4安装于无人水面艇1顶部，获得无人水面艇1的位置和姿态信息，并提供给路径规划模块5、控制模块6；所述海况监测模块2使用的是航海雷达，其通过支架安装在无人水面艇1甲板高处，通过航海雷达计算出海浪等级的海洋状况。
如图2所示，一种考虑海况因素的无人艇路径规划方法，具体步骤如下：
S01，设置最终目标点G。
S02，判断是否达到最终目标点：依据GPS/IMU模块4中的位置信息判断无人水面艇1是否到达最终的目标点，如果到达终点，则返回完成任务；否则继续进行S03；
S03，利用环境感知模块3的信息进行环境建模：使用栅格地图将从电子海图和激光传感器获得的障碍物信息表示出来；
S04，依据海况监测模块2计算的海浪等级对障碍物信息进行安全性处理：通过航海雷达对海浪进行分析处理，计算出海浪的等级，依据海浪等级对障碍物进行膨胀处理来达到安全性的保障（高级别海浪的情况下对障碍物进行较大的膨胀，低等级的海浪下对障碍物进行较小的膨胀）；在海浪等级较小的情况下，无人水面艇1受到海浪的影响较小，此时无人水面艇1可以很好地控制自己的方位，不需要和障碍物保持过大的距离；而当海浪等级较大时，此时无人水面艇1受到海浪的影响比较大，无人水面艇1不能很好地控制自己的运动，如果依旧和障碍物保持较小距离，当海浪将无人水面艇1推向障碍物时，无人水面艇1必定会与障碍物发生碰撞，所以需要在海浪较大时，将障碍物膨胀更多，从而使无人水面艇1与障碍物保持较大的距离。通过依据海浪等级对障碍物进行膨胀的做法，可以很好地解决无人水面艇1的安全性的问题。
S05，路径规划模块5在栅格地图规划出一条路径：通过路径规划算法（比如：A*算法）在之前所建立的考虑了海浪等级的栅格地图中规划出一条满足任务需求的路径，由于之前已经依据海浪等级对障碍物进行了处理，所以此时规划出的路径是结合了海浪对无人水面艇1的影响的。
S06，控制模块6控制无人水面艇1沿着规划出的路径航行，并跳转到S02。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑海况因素的无人艇路径规划系统，其特征在于，包括无人水面艇（1）、海况监测模块（2）、环境感知模块（3）、GPS/IMU模块（4）、路径规划模块（5）、控制模块（6）；所述路径规划模块（5）安装于所述无人水面艇（1）内部，依据环境感知模块（3）所获得的障碍物信息及海况监测模块（2）所估计的海浪等级计算出所要到达的一系列目标点；所述控制模块（6）安装在无人水面艇（1）内部，控制无人水面艇（1）依次到达所规划出的一系列目标点；所述环境感知模块（3）由电子海图和激光传感器组成，电子海图安装在无人水面艇（1）内，用来读取大陆、岛礁的静态障碍物信息，激光传感器通过支架安装在无人水面艇（1）甲板前方，用来探测船只、舰艇的动态障碍物信息；所述GPS/IMU 模块（4）安装于无人水面艇（1）顶部，获得无人水面艇（1）的位置和姿态信息，并提供给路径规划模块（5）、控制模块（6）；所述海况监测模块（2）使用的是航海雷达，其通过支架安装在无人水面艇（1）甲板高处，通过航海雷达计算出海浪等级的海洋状况。
2.一种考虑海况因素的无人艇路径规划方法，使用权利要求1所述的路径规划系统，其特征在于，具体步骤如下：
S01，设置最终目标点G；
S02，判断是否达到最终目标点：依据GPS/IMU模块（4）中的位置信息判断无人水面艇（1）是否到达最终的目标点，如果到达终点，则返回完成任务；否则继续进行S03；
S03，利用环境感知模块（3）的信息进行环境建模：使用栅格地图将从电子海图和激光传感器获得的障碍物信息表示出来；
S04，依据海况监测模块（2）计算的海浪等级对障碍物信息进行安全性处理：通过航海雷达对海浪进行分析处理，计算出海浪的等级，依据海浪等级对障碍物进行膨胀处理来达到安全性的保障；
S05，路径规划模块（5）在栅格地图中规划出一条路径：通过路径规划算法在之前所建立的考虑了海浪等级的栅格地图中规划出一条满足任务需求的路径；
S06，控制模块（6）控制无人水面艇（1）沿着规划出的路径航行，并跳转到S02。
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