CN110849370A - 一种基于水面无人艇的动态航线规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人艇智能航行领域，尤其是一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，包括步骤1：通过任务起、终点利用电子海图和无人艇工况获取可航区信息；步骤2：根据可航区域生成初始航线，作为监控航线进行航行；步骤3：在航行过程中对于感知系统获得的各目标实时进行航行安全性检查，评估各目标风险情况；步骤4：针对风险度高的目标按照其运动趋势重新生成可航区信息，与原可航区域叠加；步骤5：根据新的可航区域进行局部航线调整，并输出至航行控制模块实时更新，直至顺利到达任务终点。
Description
技术领域
本发明属于无人艇智能航行领域，尤其是一种基于水面无人艇的动态航线规划方法。
背景技术
随着科技发展，各国对无人艇的应用研究越来越广泛，智能化成为水面无人艇技术的重要研究方向，智能化意味着在复杂的海洋环境中水面无人艇可以和外部海洋环境进行自主交互，自适应海洋环境的变化，这种交互的一个重要方面就体现在无人艇的自动航线规划上。自动航线规划是实现水面无人艇自主导航的关键技术之一，指在根据已知任务点位置信息，结合海况、水面无人艇操控性能、负载情况等自动规划出一条适宜的安全航线，且可在航行过程中根据感知系统的目标进行局部线修改正。
水面无人艇航行具有水面特征复杂、航行速度和灵活性较高等特点，同时水面无人艇航线规划有任务导向和驾驶规则限制，航线的好坏直接影响到航行任务能否顺利完成。由于水面无人艇自身体积不大，抵抗风浪的能力有限，考虑到水面无人艇航速较快，海面环境对其航行严重影响较大，设计一种可快速规划且适应水面无人艇特点的航线对于我们在水面无人艇领域的研究是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提出了一种可在航行过程中实时动态修正局部航线、方法简单、执行速度快，可保障无人艇航行安全的基于水面无人艇的动态航线规划方法。
本发明采取的技术方案是：
一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过任务起、终点利用电子海图和无人艇工况获取可航区信息；
步骤2：根据可航区域生成初始航线，作为监控航线进行航行；
步骤3：在航行过程中对于感知系统获得的各目标实时进行航行安全性检查，评估各目标风险情况；
步骤4：针对风险度高的目标按照其运动趋势重新生成可航区信息，与原可航区域叠加；
步骤5：根据新的可航区域进行局部航线调整，并输出至航行控制模块实时更新，直至顺利到达任务终点。
进一步的，所述步骤1中，无人艇工况包括但不限于吃水、负载、海况和障碍物信息；其中障碍物信息设置为点状障碍物，并以每个点状障碍物距中心间距最大的外缘为端点，以该端点向两侧引垂线形成正方形区域；在上述正方形区域中识别海岸线以及岛屿轮廓线，以识别出的海岸线和岛屿轮廓线的正方向区域向外侧建立多个离散点，各离散点的水深值均为零，对上述离散点和电子海图显示的水深点共同构建碍航区，该碍航区以外的区域均为可航区。
进一步的，所述步骤2中，所述初始航线自动生成，具体包括如下步骤：
步骤2.1：先以起点S和终点E建立测试线SE；
步骤2.2：找到S的最近可航区的边界，做边界与S点的连线，可能会得到左右两条连线，取这两条线在可航区边界的切点记为航路点；
步骤2.3：重复步骤2.2，直至找到到达E点所有可航路线Ln；
步骤2.4：对所有可航路线进行评估，通过min(L1,L2,L3...Ln)求解选取最短路线作为航线进行输出。
进一步的，所述步骤3中，感知系统获得的各目标包括但不限于ARPA雷达、AIS、光电、声纳的实时探测目标，对于进入水面无人艇安全范围内的目标位置和运动参数进行航行情况预测，判断会遇态势。危险判定依据为DCPA和TCPA,如DCPA＜SDA则存在碰撞危险，需修正航线。
计算公式如下：
d＝CTS-CV0＝CTS-CS-c
DCPA＝sin d*DTS
其中，VS为本艇航速、CS为航向、VT为目标航速、CT为航向、DTS为相对距离、BTS为方位，上述均为已知条件，可通过上式求解DCPA和TCPA。
进一步的，所述步骤4中，将DCPA＜SDA的危险判定设置为风险度高的目标，以该目标点为起点下一航路点为终点重新进行可航区判定为新的可航区。
进一步的，所述步骤5中，所述的局部航线调整，为将无人艇当前位置与下一航路点作为起、终点，利用步骤2的方法重新进行局部航线规划，与原航线下一航路点之后的部分结合作为新航线输出，重复步骤3、4、5直至航行至任务点为止。
本发明的优点和积极效果是：
本发明中，首先通过人工设置起、终点进行初步规划，基于电子海图数据和可知的工况信息在航行前进行初期的航线规划，航行过程中，依据感知系统反馈的信息实时进行安全性的检查和评估，并根据评估的结果生成新的可航区，并将新的可航区与之前的可航区进行叠加，在可航区叠加的基础上，不断调整航线直至到达任务的终点。
通过上述方式，重复考虑电子海图和感知系统碍航信息，航行安全系数高，在航行过程中动态进行局部航线修正，运行效率高，通过航行试验表明，该方法能实现动态能实现动态航线规划且保障无人艇安全航行。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为初始航线实现效果图；
图3为局部动态航线规划效果图；
图4为局部静态航线规划效果图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明采取的技术方案是：
以秦皇岛海域为实施例的，对于本发明的具体实施方式进行描述，一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，本发明的创新在于，包括以下步骤：
步骤1：通过任务起、终点利用电子海图和无人艇工况获取可航区信息；
本实施例中，所述步骤1中，无人艇工况包括但不限于吃水、负载、海况和障碍物信息；其中障碍物信息设置为点状障碍物，并以每个点状障碍物距中心间距最大的外缘为端点，以该端点向两侧引垂线形成正方形区域，包括栈桥、灯塔、和海岸线等；在上述正方形区域中识别海岸线以及岛屿轮廓线(如栈桥等)，以识别出的海岸线和岛屿轮廓线的正方向区域向外侧建立多个离散点(离散点至正方形区域的边缘可根据无人艇的航速或其他工况进行设置，本实施例中设置为100米)，各离散点的水深值均为零，对上述离散点和电子海图显示的水深点共同构建碍航区，该碍航区以外的区域均为可航区。
步骤2：根据可航区域生成初始航线，作为监控航线进行航行；
本实施例中，所述步骤2中，所述初始航线自动生成，具体包括如下步骤：
步骤2.1：先以起点S和终点E建立测试线SE；
步骤2.2：找到S的最近可航区的边界，做边界与S点的连线，可能会得到左右两条连线，取这两条线在可航区边界的切点记为航路点；
步骤2.3：重复步骤2.2，直至找到到达E点所有可航路线Ln；
步骤2.4：对所有可航路线进行评估，通过min(L1,L2,L3...Ln)求解选取最短路线作为航线进行输出(如图2所示)。
步骤3：在航行过程中对于感知系统获得的各目标实时进行航行安全性检查，评估各目标风险情况；
本实施例中，所述步骤3中，感知系统获得的各目标包括但不限于ARPA雷达、AIS、光电、声纳的实时探测目标，对于进入水面无人艇安全范围内的目标位置和运动参数进行航行情况预测，判断会遇态势。危险判定依据为DCPA和TCPA,如DCPA＜SDA则存在碰撞危险，需修正航线。
计算公式如下：
d＝CTS-CV0＝CTS-CS-c
DCPA＝sin d*DTS
其中，VS为本艇航速、CS为航向、VT为目标航速、CT为航向、DTS为相对距离、BTS为方位，上述均为已知条件，可通过上式求解DCPA和TCPA。
步骤4：针对风险度高的目标按照其运动趋势重新生成可航区信息，与原可航区域叠加；
本实施例中，所述步骤4中，将DCPA＜SDA的危险判定设置为风险度高的目标，以该目标点为起点下一航路点为终点重新进行可航区判定为新的可航区。
步骤5：根据新的可航区域进行局部航线调整，并输出至航行控制模块实时更新，直至顺利到达任务终点。
本实施例中，所述步骤5中，所述的局部航线调整，为将无人艇当前位置与下一航路点作为起、终点，利用步骤2的方法重新进行局部航线规划，与原航线下一航路点之后的部分结合作为新航线输出，重复步骤3、4、5直至航行至任务点为止。如图3和图4所示，图3为局部动态航线规划效果图，图4为局部静态航线规划效果图。两张附图中，虚线为局部调整的新航线，实线为前一次规划的旧航线。
Claims (6)
1.一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过任务起、终点利用电子海图和无人艇工况获取可航区信息；
步骤2：根据可航区域生成初始航线，作为监控航线进行航行；
步骤3：在航行过程中对于感知系统获得的各目标实时进行航行安全性检查，评估各目标风险情况；
步骤4：针对风险度高的目标按照其运动趋势重新生成可航区信息，与原可航区域叠加；
步骤5：根据新的可航区域进行局部航线调整，并输出至航行控制模块实时更新，直至顺利到达任务终点。
2.根据权利要求1所述的一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：所述步骤1中，无人艇工况包括但不限于吃水、负载、海况和障碍物信息；其中障碍物信息设置为点状障碍物，并以每个点状障碍物距中心间距最大的外缘为端点，以该端点向两侧引垂线形成正方形区域；在上述正方形区域中识别海岸线以及岛屿轮廓线，以识别出的海岸线和岛屿轮廓线的正方向区域向外侧建立多个离散点，各离散点的水深值均为零，对上述离散点和电子海图显示的水深点共同构建碍航区，该碍航区以外的区域均为可航区。
3.根据权利要求1所述的一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：所述步骤2中，所述初始航线自动生成，具体包括如下步骤：
步骤2.1：先以起点S和终点E建立测试线SE；
步骤2.2：找到S的最近可航区的边界，做边界与S点的连线，可能会得到左右两条连线，取这两条线在可航区边界的切点记为航路点；
步骤2.3：重复步骤2.2，直至找到到达E点所有可航路线Ln；
步骤2.4：对所有可航路线进行评估，通过min(L1,L2,L3...Ln)求解选取最短路线作为航线进行输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：所述步骤3中，感知系统获得的各目标包括但不限于ARPA雷达、AIS、光电、声纳的实时探测目标，对于进入水面无人艇安全范围内的目标位置和运动参数进行航行情况预测，判断会遇态势。危险判定依据为DCPA和TCPA,如DCPA＜SDA则存在碰撞危险，需修正航线。
计算公式如下：
d＝CTS-CV0＝CTS-CS-c
DCPA＝sin d*DTS
其中，VS为本艇航速、CS为航向、VT为目标航速、CT为航向、DTS为相对距离、BTS为方位，上述均为已知条件，可通过上式求解DCPA和TCPA。
5.根据权利要求1所述的一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：所述步骤4中，将DCPA＜SDA的危险判定设置为风险度高的目标，以该目标点为起点下一航路点为终点重新进行可航区判定为新的可航区。
6.根据权利要求1所述的一种基于水面无人艇的动态航线规划方法，其特征在于：所述步骤5中，所述的局部航线调整，为将无人艇当前位置与下一航路点作为起、终点，利用步骤2的方法重新进行局部航线规划，与原航线下一航路点之后的部分结合作为新航线输出，重复步骤3、4、5直至航行至任务点为止。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200228 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |