CN113776535A - 一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法 - Google Patents

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CN113776535A CN202111009693.7A CN202111009693A CN113776535A CN 113776535 A CN113776535 A CN 113776535A CN 202111009693 A CN202111009693 A CN 202111009693A CN 113776535 A CN113776535 A CN 113776535A
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闫红州
岳林
朱奇舸
张逸凡
唐李军
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    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
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Abstract

本发明公开了一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，包括以下步骤：1)对电子海图进行离散栅格化操作,将电子海图划分为具有二值信息的网格单元，并对栅格进行编码；2)通过栅格化电子海图获得栅格化的障碍物信息；3)建立open表和close表两个数据结构；其中，open表存储已经计算但没有扩展的节点，用close表存储已经扩展和将要扩展的节点；所述节点为各个栅格的中心点；4)设定启发函数，估计各个搜索节点的代价，通过比较各个节点的估计代价值，选择代价最小的节点扩展，直到找到目标点。本发明提供了一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法。

Description

一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法
技术领域
本发明涉及无人艇路径规划技术，尤其涉及一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法。
背景技术
水面无人艇作为一种无人操作的舰艇，具有体积小、航速快、机动性强、模块化等特点，可用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务，签于上述特点，近年来，水面无人艇在军事及民用领域愈发获得人们重视，而自主路径规划是决定无人艇能否进行工程应用的重要因素，快速有效的规划路径才能保证无人艇海上航行的安全性，基于此，提出一种基于栅格化电子海图的航路规划方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，包括以下步骤：
1)对电子海图进行离散栅格化操作,将电子海图划分为具有二值信息的网格单元，并对栅格进行编码；所述二值信息为对每个栅格赋值，无人艇可达为1，不可达为0；
2)通过栅格化电子海图获得栅格化的障碍物信息；
3)建立open表和close表两个数据结构；其中，open表存储已经计算但没有扩展的节点，用close表存储已经扩展和将要扩展的节点；所述节点为各个栅格的中心点；
4)设定启发函数，估计各个搜索节点的代价，通过比较各个节点的估计代价值，选择代价最小的节点扩展，直到找到目标点；目标点为路径终点；
每次迭代从open表中取出航路估计代价f(i)最小的节点，将其插入close表，判断点是否为目标点，若是，规划结束，通过父节点生成航路；若不是，则扩展该节点生成一组子节点维护open表和close表；所述子节点为该节点的8个邻接方位节点。
按上述方案，所述步骤1)中对栅格进行编码采用直角坐标法或序号法。
按上述方案，所述步骤1)中栅格的宽度为0.5m。
按上述方案，所述步骤4)中启发函数采用theta star函数。
按上述方案，所述步骤4)中启发函数中的预估距离为当前位置到目标位置的欧式距离。
本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，以满足无人艇在水上自主航行时的路径选取需求，并完成静态避障任务，该算法同样适用于有人舰船的自主航路规划和静态避障。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的栅格的编码示意图；
图3是本发明实施例的电子海图栅格化示意图；
图4是本发明实施例的基于栅格化电子海图的路径规划示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，包括以下步骤：
1)对电子海图进行离散栅格化操作,将电子海图划分为具有二值信息的网格单元，并对栅格进行编码；所述二值信息为对每个栅格赋值，无人艇可达为1，不可达为0；
水面无人艇在航行过程中，可以通过雷达、摄像机等传感器获得与障碍物的相对位置关系信息。这些信息只能描述局部环境，无法提供全局环境信息。为了解决这些问题，需要根据电子海图来获取全局环境信息。而水面无人艇无法利用电子海图进行路径规划，需要将电子海图转换成可以直接利用的环境模型。创建环境模型必须解决环境模型的表示、存储等问题。
采用栅格法划分工作环境，将工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元。栅格的标识也就是栅格的编码方法有下述两种方法:
①直角坐标法。如图2所示，以栅格阵左下角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，每一栅格区间对应坐标轴上的一个单位长度。任一栅格均可用直角坐标(x，y)唯一标识。
②序号法。如图2按从左到右，从上到下的顺序，从栅格阵右上角第一个栅格开始，给每一个栅格一个序号p(从零开始计)，则序号p与栅格块。
用序号法对每个小栅格进行编号，其中每个编号P都与其直角坐标一一对应，其映射关系为
P＝10+10×y (1)
x和y与P的关系为
x＝rem(P,10) (2)
y＝fix(P,10) (3)
其中，rem表示取余操作，fix表示取整操作。
在栅格化编码时，会对阈值有一定要求，根据实际试验经验，以实际距离0.5m作为栅格的宽度，这与路径规划的精度有关，若是想取更优的路径，可以选择更小的栅格宽度，但这会增加路径规划的计算量，最后影响路径规划的效率。
在进行二值化时，会遇到某个栅格，部分区域可达，部分不可达，这种情况，我们对该位置的编码值取0，即认为不可达，这是考虑到无人艇安全性问题，在疑似不可达的区域，认定为不可达。
2)通过栅格化电子海图获得栅格化的障碍物信息；
如图3所示，通过电子海图读取出障碍物信息进行栅格化，其中障碍物区域为图中红色部分。
为了使每次的路径寻优都尽量向接近目标点的方向运动，当前栅格邻接方位的位置显得极为重要。对于8个邻接方位，8个方位分别为：右下，右，右上，上，左上，左，左下，下。
方位距离表示当前栅格到它的邻接栅格的距离，定义为两个栅格之间的中心距离。可以看出，当前栅格和它相邻的8个方位的距离为定义为
Figure BDA0003238441180000061
3)建立open表和close表两个数据结构；其中，open表存储已经计算但没有扩展的节点，用close表存储已经扩展和将要扩展的节点；所述节点为各个栅格的中心点；
A*算法的基本思想是通过计算各个搜索节点的实际代价，设定合适的启发函数，估计各个搜索节点的代价"通过比较各个节点的估计代价值，选择代价最小的节点扩展，直到找到目标点。算法中用open表存储已经计算但没有扩展的节点，用close表存储已经扩展和将要扩展的节点。
4)设定启发函数，估计各个搜索节点的代价，通过比较各个节点的估计代价值，选择代价最小的节点扩展，直到找到目标点；目标点为路径终点；
规定启发函数中的预估距离，即当前位置到目标位置的预估距离，这里选择欧式距离，即当前位置到目标位置的直线距离作为预估值。
然后根据如下流程完成路径规划：
设置航路起始点，并通过海图读取障碍物信息进行栅格化并存储；
如步骤3)建立open表和close表两个数据结构；
每次迭代从open表中取出航路估计代价f(i)最小的节点，将其插入close表。判断点是否为目标点，若是，规划结束，通过父节点生成航路；若不是，则扩展该节点生成一组子节点维护open表和close表。
如图4红色线为规划完的路径。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对电子海图进行离散栅格化操作,将电子海图划分为具有二值信息的网格单元，并对栅格进行编码；所述二值信息为对每个栅格赋值，无人艇可达为1，不可达为0；
2)通过栅格化电子海图获得栅格化的障碍物信息；
3)建立open表和close表两个数据结构；其中，open表存储已经计算但没有扩展的节点，用close表存储已经扩展和将要扩展的节点；所述节点为各个栅格的中心点；
4)设定启发函数，估计各个搜索节点的代价，通过比较各个节点的估计代价值，选择代价最小的节点扩展，直到找到目标点；
每次迭代从open表中取出航路估计代价f(i)最小的节点，将其插入close表，判断点是否为目标点，若是，规划结束，通过父节点生成航路；若不是，则扩展该节点生成一组子节点维护open表和close表；所述子节点为该节点的8个邻接方位节点。
2.根据权利要求1所述的基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，其特征在于，所述步骤1)中对栅格进行编码采用直角坐标法或序号法。
3.根据权利要求1所述的基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，其特征在于，所述步骤1)中栅格的宽度为0.5m。
4.根据权利要求1所述的基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，其特征在于，所述步骤4)中启发函数采用theta star函数。
5.根据权利要求4所述的基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法，其特征在于，所述步骤4)中启发函数中的预估距离为当前位置到目标位置的欧式距离。
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