CN112509132B - 一种面向船舶应用的立体路径计算方法 - Google Patents

一种面向船舶应用的立体路径计算方法 Download PDF

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Abstract

一种面向船舶应用的立体路径计算方法，包括如下步骤：通过坐标转换矩阵，将船舶室内路径的二维坐标进行转换得到船舶室内路径的三维坐标；基于步骤一中得到的船舶室内路径的三维坐标和改进的A*算法，依次分段进行船舶室内立体路径计算；将根据改进的A*算法计算后的路径，进行计算，通过路径参数设置转换为CZML数据格式；转换后的CZML数据再通过三维插件进行加载和渲染；最后在地图上可视化呈现三维路径；本方法能够实现在三维部分建模的情景下精确计算室内空间立体路径，实现船舶内部空间路径的自动快速计算，对于提高地图服务能力与性能，具有重要意义。

Description

一种面向船舶应用的立体路径计算方法
技术领域
本发明属于船舶室内地图领域，具体涉及一种面向船舶应用的立体路 径计算方法。
背景技术
随着船舶信息化程度的逐步提高与船舶电子地图应用的逐步深入，对 船舶内部立体路径计算的需求越来越迫切，但依靠人力很难快速的计算分 析出最优的空间路径，由于船舶舱室复杂、路径多样，设备繁多、全三维 仿真建模不可行等问题，船舶立体路径计算问题难以直接获取三维立体坐 标，因此船舶立体路径计算难以直接利用现有算法实现。另一方面，由于 船舶具有多层甲板，在平面地图上显示立体路径不够直观，舰员也很难根 据实际路径进行导航；因此。需要通过三维立体渲染将计算出来的路径立 体呈现。
发明内容
本发明的目的在于解决由于船舶舱室复杂、设备繁多、全三维仿真建 模不可行等问题，船舶立体路径计算问题难以直接获取三维立体坐标，因 此船舶立体路径计算难以直接利用现有算法实现的问题。
本发明采用的技术方案是：一种面向船舶应用的立体路径计算方法，包 括如下步骤：
步骤一：通过坐标转换矩阵，将船舶室内路径的二维坐标进行转换得到 三维坐标；
步骤二：基于改进的A*算法，依次分段进行船舶室内立体路径计算；
步骤三：将根据改进的A*算法计算后的路径，通过路径参数设置转换为 CZML数据格式；
步骤四：转换后的CZML数据再通过cesium进行加载和渲染；最后在地 图上可视化呈现三维路径；
进一步的，所述步骤一将船舶室内路径的二维坐标矩阵补充路径位置所 在舱室楼层的空间高度数据h1,h2,..,hn,得到三维坐标矩阵如下：
Figure BDA0002810574210000021
其中D3是路径对应位置的三维坐标矩阵，通过舱室所在高度将二维坐标 矩阵转换为三维坐标矩阵；为了保证精确性，引入了高度转换公式，如下 所示：
D3'＝D3T'(2)
展开为：
Figure BDA0002810574210000022
其中，h1,h2,..,hn表示路径位置所在舱室楼层的空间高度，h表示舱室楼 层的空间高度与空间寻路地址坐标的高度转换系数。
进一步的，所述步骤三中改进的A*算法表达式为：
F(n)＝G(n)+H(n)+Risk(n) (4)
Figure BDA0002810574210000023
其中，G(n)为耗散函数，表示从起点到节点n的实际路径代价(距离)；
H(n)是有可能生成路径的启发函数，表示节点n到目标点的最佳路 径估计代价，采用欧式距离表示：
Figure BDA0002810574210000031
F(n)是生成的路径评价函数，表示通过节点n从起点到达目标点的 路径代价；
x表示当前节点与目标节点x轴的差值；y表示当前节点与目标节点y 轴差值；z表示当前节点与目标节点z轴差值；
假设距离节点n最近的障碍点为On，其中d0为On与节点n的距离，w0为 距离障碍小于安全距离dmax时的惩罚系数。
进一步的，所述步骤二中依次分段进行船舶室内立体路径计算的具体 步骤如下所示：
(1)初始化三维坐标，构建三维数组。三维数组为1代表实际位置有 障碍，为0代表无障碍；考虑到与障碍物安全半径，可做三维膨胀操作；
(2)创建open集(所有节点的集合)和close集(已遍历过的节点集 合)。将起点加入open集；
(3)选出open集中F最小的节点，判断其是否满足约束，满足则将 其移入到close集。否则在open集中删除该节点。然后重复操作(3)；
(4)判断当前移入点是否是终点，如是终点则查找完毕，获得初步路 径Pi。否则获取当前点下一步可到达的所有点；
(5)若(4)找到的点在open集中，若G比之前计算的小，则更新该 点数据。若不在，计算这些点的F、G、C值并将这些点加入open集；
(6)跳转到步骤(3)，直到当前移入的点为终点；
(7)定义初步路径的节点数为m个；改进平滑处理后的路径为Pp；
(8)判断Pi的节点是否小于等于m；是则执行下一步，否则将Pi上非N 节点赋值给Pp；
(9)获得第i个节点和第i+2个节点所在的线段li,i+2；
(10)判断线段li,i+2上是否存在障碍物若不存在，则执行下一步，否则 执行第(6)步；
(11)将Pi上第i+1个节点删除；
(12)设置当前节点为下一节点，转到(2)；
(13)最终获得改进算法处理后所得的优化路径；
(14)对该路径进行B样条平滑算法处理，平滑处理时需要加入角度 约束，使其更加符合实际需要；
(15)获得处理后的优化路径。
进一步的，所述步骤三中路径参数包括时间速率、路径材质、路径宽度 及路径指示方向。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：能够实现在三维部分建模的 情景下精确计算室内空间立体路径；同时，该方法对常规路径规划算法A* 进行了改进，有利于不同复杂场景的路径规划，并且增加了路径的安全性； 实现船舶内部空间路径的自动快速计算，对于提高地图服务能力与性能，具 有重要意义。
附图说明
图1为本发明较佳实施例面向船舶应用的立体路径计算流程图。
图2为本发明较佳实施例改进的A*路径规划算法流程图。
图3为本发明较佳实施例面向船舶应用的立体路径具体流程图。
图4为本发明某一具体算例的渲染后的三维路径示意图(图中白线为 路径)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
请参考图1，本发明具体涉及一种面向船舶应用的立体路径计算方法，包 括如下步骤：
步骤一：通过坐标转换矩阵，将船舶室内路径的二维坐标进行转换得到 船舶室内路径的三维坐标；
步骤二：基于步骤一中得到的船舶室内路径的三维坐标和改进的A*算法， 依次分段进行船舶室内立体路径计算；
步骤三：将根据改进的A*算法计算后的路径，进行计算，通过路径参数 (包括时间速率、路径材质、路径宽度、路径指示方向等参数)设置转换为 CZML数据格式；
步骤四：转换后的CZML数据(CZML是用来描述动态场景的JSON架构的 语言)再通过三维插件(例如cesium)进行加载和渲染；最后在地图上可视 化呈现三维路径；
所述步骤一将船舶室内路径的二维坐标矩阵补充路径位置所在舱室楼 层的空间高度数据h1,h2,..,hn,得到三维坐标矩阵如下：
Figure BDA0002810574210000051
其中D3是路径对应位置的三维坐标矩阵，通过舱室所在高度将二维坐标 矩阵转换为三维坐标矩阵；考虑到一些路径对应位置高度坐标和舱室所在 高度坐标不完全相同，为了保证精确性，引入了高度转换公式，如下所示：
D3'＝D3T'(2)
展开为：
Figure BDA0002810574210000061
其中，h1,h2,..,hn表示路径位置所在舱室楼层的空间高度，h表示舱室楼 层的空间高度与空间寻路地址坐标的高度转换系数，该系数根据不同舱室 有所区别。
所述步骤二中改进的A*算法表达式为：
F(n)＝G(n)+H(n)+Risk(n) (4)
Figure BDA0002810574210000063
其中，G(n)为耗散函数，表示从起点到节点n的实际路径代价(距离)；
H(n)是有可能生成路径的启发函数，表示节点n到目标点的最佳路 径估计代价，采用欧式距离表示：
Figure BDA0002810574210000064
F(n)是生成的路径评价函数，表示通过节点n从起点到达目标点的 路径代价；
x表示当前节点与目标节点x轴的差值；y表示当前节点与目标节点y 轴差值；z表示当前节点与目标节点z轴差值；
假设距离节点n最近的障碍点为On，其中d0为On与节点n的距离，w0为 距离障碍小于安全距离dmax时的惩罚系数。
请参考图2，图3，图4，所述步骤二中依次分段进行船舶室内立体路 径计算的具体步骤如下所示：
(1)初始化三维坐标，构建三维数组。三维数组为1代表实际位置有 障碍，为0代表无障碍；考虑到与障碍物安全半径，可做三维膨胀操作；
(2)创建open集(所有节点的集合)和close集(已遍历过的节点集 合)。将起点加入open集；
(3)选出open集中F最小的节点，判断其是否满足约束，满足则将 其移入到close集。否则在open集中删除该节点。然后重复操作3)；
(4)判断当前移入点是否是终点，如是终点则查找完毕，获得初步路 径Pi。否则获取当前点下一步可到达的所有点；
(5)若(4)找到的点在open集中，若G比之前计算的小，则更新该 点数据。若不在，计算这些点的F、G、C值(即公式(4)中F(n)、G (n)及C(n)的值)并将这些点加入open集；
(6)跳转到步骤(3)，直到当前移入的点为终点；
(7)定义初步路径的节点数为m个；改进平滑处理后的路径为Pp；
(8)判断Pi的节点是否小于等于m；是则执行下一步，否则将Pi上非N 节点赋值给Pp；
(9)获得第i个节点和第i+2个节点所在的线段li,i+2；
(10)判断线段li,i+2上是否存在障碍物若不存在，则执行下一步，否则 执行第(6)步；
(11)将Pi上第i+1个节点删除；
(12)设置当前节点为下一节点，转到(2)；
(13)最终获得改进算法处理后所得的优化路径；
(14)对该路径进行B样条平滑算法处理，平滑处理时需要加入角度 约束，使其更加符合实际需要；
(15)获得处理后的优化路径。
该方法与一般常见的路径计算方法相比，更适合空间有限、无法进行 全三维建模的立体路径规划。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和 说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神 和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入 要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。

Claims (4)

1.一种面向船舶应用的立体路径计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：通过坐标转换矩阵，将船舶室内路径的二维坐标进行转换得到船舶室内路径的三维坐标；
步骤二：基于步骤一中得到的船舶室内路径的三维坐标和改进的A*算法，依次分段进行船舶室内立体路径计算,所述步骤二中改进的A*算法表达式为：
F(n)＝G(n)+H(n)+Risk(n) (4)
Figure FDA0003819474430000011
其中，G(n)为耗散函数，表示从起点到节点n的实际路径代价；
H(n)是有可能生成路径的启发函数，表示节点n到目标点的最佳路径估计代价，采用欧式距离表示：
Figure FDA0003819474430000012
F(n)是生成的路径评价函数，表示通过节点n从起点到达目标点的路径代价；
x表示当前节点与目标节点x轴的差值；y表示当前节点与目标节点y轴差值；z表示当前节点与目标节点z轴差值；
假设距离节点n最近的障碍点为On，其中d0为On与节点n的距离，w0为距离障碍小于安全距离dmax时的惩罚系数；
步骤三：将根据改进的A*算法计算后的路径，进行计算，通过路径参数设置转换为CZML数据格式；
步骤四：转换后的CZML数据再通过三维插件进行加载和渲染；最后在地图上可视化呈现三维路径。
2.如权利要求1所述的面向船舶应用的立体路径计算方法，其特征在于，所述步骤一将船舶室内路径的二维坐标矩阵补充路径位置所在舱室楼层的空间高度数据h1,h2,..,hn,得到三维坐标矩阵如下：
Figure FDA0003819474430000021
其中D3是路径对应位置的三维坐标矩阵，通过舱室所在高度将二维坐标矩阵转换为三维坐标矩阵；为了保证精确性，引入了高度转换公式，如下所示：
D3'＝D3T'(2)
展开为：
Figure FDA0003819474430000022
其中，h1,h2,..,hn表示路径位置所在舱室楼层的空间高度，h表示舱室楼层的空间高度与空间寻路地址坐标的高度转换系数。
3.根据权利要求1所述的面向船舶应用的立体路径计算方法，其特征在于：所述步骤二中依次分段进行船舶室内立体路径计算的具体步骤如下所示：
(1)初始化三维坐标，构建三维数组；三维数组为1代表实际位置有障碍，为0代表无障碍；考虑到与障碍物安全半径，可做三维膨胀操作；
(2)创建open集和close集；将起点加入open集；
(3)选出open集中F最小的节点，判断其是否满足约束，满足则将其移入到close集；否则在open集中删除该节点；然后重复操作(3)；
(4)判断当前移入点是否是终点，如是终点则查找完毕，获得初步路径Pi；否则获取当前点下一步可到达的所有点；
(5)若(4)找到的点在open集中，若G比之前计算的小，则更新该点数据；若不在，计算这些点的F、G、H值并将这些点加入open集,F、G、H即公式(4)中F(n)、G(n)及H(n)的值；
(6)跳转到步骤(3)，直到当前移入的点为终点；
(7)定义初步路径的节点数为m个；改进平滑处理后的路径为Pp；
(8)判断Pi的节点是否小于等于m；是则执行下一步，否则将Pi上非N节点赋值给Pp；
(9)获得第i个节点和第i+2个节点所在的线段li,i+2；
(10)判断线段li,i+2上是否存在障碍物若不存在，则执行下一步，否则执行第(6)步；
(11)将Pi上第i+1个节点删除；
(12)设置当前节点为下一节点，转到(2)；
(13)最终获得改进算法处理后所得的优化路径；
(14)对该路径进行B样条平滑算法处理，平滑处理时需要加入角度约束，使其更加符合实际需要；
(15)获得处理后的优化路径。
4.根据权利要求1所述的面向船舶应用的立体路径计算方法，其特征在于：所述步骤三中路径参数包括时间速率、路径材质、路径宽度及路径指示方向。
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