CN115935714B - 一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，包括：获取特定海域的电子海图数据，通过提取数据得到待建模环境的障碍物分布情况；对凹型和凸型障碍物多边形采取等距离外扩的方法构建势场；设置参数，对不同属性的障碍物自动调整其安全范围；将不同障碍物的势场模型进行叠加，得到完整的障碍物势场模型。本发明的技术方案解决了现有的环境建模方法难以对障碍物进行快速、精确的描述，难以处理凹多边形障碍物，难以对不同属性的障碍物进行区分的技术问题。本发明可以根据矢量电子海图中存在的障碍物信息，对不同类型的障碍物自动调整其安全范围，更贴近航海实际，构建的模型能够满足不同情况下船舶避碰的需要，保障船舶航行安全。

Description

一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法

技术领域

本发明涉及障碍物避碰技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法。

背景技术

船舶避碰通常可以分为环境建模和避碰算法两部分。环境建模可以对各种障碍物及可行区域进行空间描述，其优劣将直接影响避碰算法所需处理的数据量和最终效果。目前关于船舶避碰领域环境建模的研究主要采取对障碍物进行简化的方法，将障碍物简化为简单多边形。

在实际航行中，船舶会面临更多、更复杂的障碍物，现有的环境建模方法难以对障碍物进行快速、精确的描述，且难以对不同属性的障碍物进行区分。

发明内容

根据上述提出现有的环境建模方法难以对障碍物进行快速、精确的描述，且难以对不同属性的障碍物进行区分的技术问题，提供一种能够快速、精确地描述障碍物的环境势场模型构建方法，且能够根据不同障碍物的属性调整其安全范围。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，包括：

获取特定海域的电子海图数据，并对电子海图数据进行提取，得到待建模环境的障碍物分布情况；

对障碍物多边形采取等距离外扩的方法进行势场构建；

设置参数，对不同属性的障碍物自动调整其安全范围；

将不同障碍物的势场模型进行叠加，得到完整的障碍物势场模型。

进一步地，所述获取特定海域的电子海图数据，并对电子海图数据进行提取，得到待建模环境的障碍物分布情况，具体包括：

选取一海域的电子海图，对电子海图中的矢量数据进行处理，获得精确的水深、陆域以及障碍物数据；

对电子海图中的数据进行简化，去掉其中存在的共线点；

将障碍物用多边形的形式进行表示。

进一步地，所述对障碍物多边形采取等距离外扩的方法进行势场构建，具体包括：

对于单个障碍物多边形，根据等距偏移算法，对多边形轮廓进行外偏移，得到偏移后的多边形；

对偏移后得到的多边形顶点进行优化处理，使其更接近原本的形状；

对优化处理后的多边形进行离散数据插值处理，得到适合构建障碍物势场模型的数据；

对不同外扩后距离的得到的多边形区域，赋合适的势场值，构建障碍物势场模型。

进一步地，所述对于单个障碍物多边形，根据等距偏移算法，对多边形轮廓进行外偏移，得到偏移后的多边形，具体包括：

根据多边形的顶点对多边形进行划分，得到组成多边形的一系列线段；

根据组成多边形的线段与预设的偏移距离，将线段向外进行偏移，得到偏移后的平行线段；

将偏移后的平行线段进行相交，得到偏移后的多边形。

进一步地，所述对偏移后得到的多边形顶点进行优化处理，使其更接近原本的形状，具体包括：

用圆弧连接偏移后需要进行线段延长相交的平行线段端点；

用线段近似表示圆弧；

用近似圆弧的线段代替原本的线段延长线。

进一步地，所述对优化处理后的多边形进行离散数据插值处理，得到适合构建障碍物势场模型的数据，具体包括：

对于偏移后得到的多边形，将其顶点按照逆时针顺序排列；

从任一点出发，在该点与下一点之间按照线性插值的方法，每隔特定距离便增加一个点；

对多边形中所有顶点均进行数据插值，得到适合构建障碍物势场模型的数据。

进一步地，所述对不同外扩后距离的得到的多边形区域，赋合适的势场值，构建障碍物势场模型，具体包括：

将原本未经偏移的多边形区域赋势场值1.0；

对于经过不同偏移距离得到的多边形区域，按照偏移距离越大、势场值越低的原则，依次进行赋值；

将最大偏移距离得到的多边形势场值赋为0.0，即势场影响范围临界点；

对不同势场值的多边形区域以势场值为标准进行线性插值，构建障碍物势场。

进一步地，所述设置参数，对不同属性的障碍物自动调整其安全范围，具体包括：

根据矢量电子海图中获取的障碍物属性对不同障碍物进行划分；

将势场影响范围临界点的最大偏移距离作为安全距离，根据障碍物的危险程度设置不同的安全距离。

进一步地，所述将不同障碍物的势场模型进行叠加，得到完整的障碍物势场模型，具体包括：

对特定海域内所有障碍物构建势场模型；

将其中一点的势场值作为不同障碍物势场在该点处势场值的和；

将不同障碍物形成的势场进行叠加，形成最终障碍物势场模型。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，通过与矢量电子海图数据相结合，可以获取矢量电子海图中存在的大量精确的障碍物信息。

2、本发明提供的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，通过对障碍物多边形进行等距离外扩，能够快速、精确地构建障碍物势场模型，通过对多边形偏移后的顶点进行平滑处理、对离散数据进行插值等操作，使构建的势场模型能够更贴近原本的障碍物形状。

3、本发明提供的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，可以根据矢量电子海图中存在的障碍物信息，对不同类型的障碍物自动调整其安全范围，能够更贴近航海实际，构建的模型能够满足不同情况下船舶避碰的需要，保障船舶航行的安全。

基于上述理由本发明可在船舶避碰等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实施例提供的多边形等距离外扩示意图。

图3为本发明实施例提供的多边形顶点平滑示意图。

图4为本发明实施例提供的简单障碍物势场模型。

图5为本发明实施例提供的复杂凹多边形势场模型。

图6为本发明实施例提供的障碍物势场的不同影响范围。

图7为本发明实施例提供的障碍物势场模型叠加示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，包括：

S1、获取特定海域的电子海图数据，并对电子海图数据进行提取，得到待建模环境的障碍物分布情况；

S2、对障碍物多边形采取等距离外扩的方法进行势场构建；

S3、设置参数，对不同属性的障碍物自动调整其安全范围；

S4、将不同障碍物的势场模型进行叠加，得到完整的障碍物势场模型。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，获取特定海域的电子海图数据，并对电子海图数据进行提取，得到待建模环境的障碍物分布情况，具体包括：

S11、选取一海域的电子海图，对电子海图中的矢量数据进行处理，获得精确的水深、陆域以及障碍物数据；在本实施例中，将矢量电子海图作为环境建模的数据来源，对电子海图进行解析、读取和存储。将电子海图文件中的特征物标转换为特征，空间物标转换为对应特征下的空间几何对象。

S12、对电子海图中的数据进行简化，去掉其中存在的共线点；在本实施例中，从电子海图获取海洋环境信息后，还需要对其中的信息进行简化，去除其中不必要的节点，将障碍物用多边形的形式表示。

S13、将障碍物用多边形的形式进行表示。从多边形任意一个顶点出发，按照逆时针的顺序将顶点依次存储在一个线性表中，通过点信息得到线信息，进而组合成面信息。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2中，对障碍物多边形采取等距离外扩的方法进行势场构建，具体包括：

S21、对于单个障碍物多边形，根据等距偏移算法，对多边形轮廓进行外偏移，得到偏移后的多边形；外扩是一种在自动避碰和路径规划领域比较常见的构建缓冲区的方法。等距离外扩法是将障碍物多边形区域的每条边都向外移动一定的距离，形成一个新的多边形，如图2所示。在本实施例中，该步骤具体包括：

S211、根据多边形的顶点对多边形进行划分，得到组成多边形的一系列线段；例如：已知坐标点A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)，向外扩的距离为l，通过这些已知条件求解外扩后的点的坐标。设求解方向是由A到B，则其方向的反正切值可以表示为：

由反正切值计算坐标点A的坐标平移量，Δx＝l×cosα，Δy＝l×sinα，从而求出A点对应的两个外扩点的坐标值分别为C₁(x₁+Δx,y₁+Δy)、C₂(x₁-Δx,y₁-Δy)。坐标点B的计算方法与其类似。

S212、根据组成多边形的线段与预设的偏移距离，将线段向外进行偏移，得到偏移后的平行线段；通过以上方法可以得到两条外扩后的线段，但线段与线段可能并不相交，也可能有交叉，需要对求出的线段进行求交点处理。

S213、将偏移后的平行线段进行相交，得到偏移后的多边形。已知直线L₁已知点坐标为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，直线L₂已知点坐标为(x₃,y₃)、(x₄,y₄)，分别计算其直线斜率：

当两条直线不平行时，可以计算其交点坐标为：

y_p＝(y₂-y₁)(x_p-x₁)/(x₂-x₁)+y₁

利用上述公式，可以对外扩得到的线段求出交点坐标。将得到的交点按照顺序依次连接起来，即可得到偏移后的多边形。

S22、对偏移后得到的多边形顶点进行优化处理，使其更接近原本的形状；在进行多边形外扩时，由于两边夹角越小、产生的新顶点偏移量越大，需要在顶点偏移较大时对顶点进行平滑处理，使其更接近原本的多边形，如图3所示。具体包括：

S221、用圆弧连接偏移后需要进行线段延长相交的平行线段端点；

S222、用线段近似表示圆弧；

S223、用近似圆弧的线段代替原本的线段延长线。

S23、对优化处理后的多边形进行离散数据插值处理，得到适合构建障碍物势场模型的数据；多边形外扩后得到的离散数据点由于存在分布不均匀等情况，如果直接使用原始数据进行势场构建可能会产生较大的误差，需要进行进一步的处理。具体包括：

S231、对于偏移后得到的多边形，将其顶点按照逆时针顺序排列；

S232、从任一点出发，在该点与下一点之间按照线性插值的方法，每隔特定距离便增加一个点；

S233、对多边形中所有顶点均进行数据插值，得到适合构建障碍物势场模型的数据。

S24、对不同外扩后距离的得到的多边形区域，赋合适的势场值，构建障碍物势场模型。如图4与图5所示，具体包括：

S241、将原本未经偏移的多边形区域赋势场值1.0；

S242、对于经过不同偏移距离得到的多边形区域，按照偏移距离越大、势场值越低的原则，依次进行赋值；

S243、将最大偏移距离得到的多边形势场值赋为0.0，即势场影响范围临界点；

S244、对不同势场值的多边形区域以势场值为标准进行线性插值，构建障碍物势场。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中，设置参数，对不同属性的障碍物自动调整其安全范围，由于航行中遇到的障碍物具有不同的危险属性，与明礁、小岛等需要保持较大的安全距离，而与方位浮标等则不需要保持很大的安全距离，需要设置参数，根据不同障碍物的属性调整其安全范围，如图6所示，且参数的设置需要符合航海实际情况。具体包括：

S31、根据矢量电子海图中获取的障碍物属性对不同障碍物进行划分；

S32、将势场影响范围临界点的最大偏移距离作为安全距离，根据障碍物的危险程度设置不同的安全距离。对于小岛、礁石等障碍物，其障碍物势场平缓，影响范围大；对于助航标志等障碍物，其障碍物势场陡峭，影响范围小。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S4中，将不同障碍物的势场模型进行叠加，如图7所示，得到完整的障碍物势场模型，具体包括：

S41、对特定海域内所有障碍物构建势场模型；

S42、将其中一点的势场值作为不同障碍物势场在该点处势场值的和；

S43、将不同障碍物形成的势场进行叠加，形成最终障碍物势场模型。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，其特征在于，包括：

获取特定海域的电子海图数据，并对电子海图数据进行提取，得到待建模环境的障碍物分布情况；

对障碍物多边形采取等距离外扩的方法进行势场构建；具体包括：

对于单个障碍物多边形，根据等距偏移算法，对多边形轮廓进行外偏移，得到偏移后的多边形；

对偏移后得到的多边形顶点进行优化处理，使其更接近原本的形状；

对优化处理后的多边形进行离散数据插值处理，得到适合构建障碍物势场模型的数据；

对不同外扩后距离的得到的多边形区域，赋合适的势场值，构建障碍物势场模型，具体包括：

将原本未经偏移的多边形区域赋势场值1.0；

对于经过不同偏移距离得到的多边形区域，按照偏移距离越大、势场值越低的原则，依次进行赋值；

将最大偏移距离得到的多边形势场值赋为0.0，即势场影响范围临界点；

对不同势场值的多边形区域以势场值为标准进行线性插值，构建障碍物势场；

设置参数，对不同属性的障碍物自动调整其安全范围；具体包括：

根据矢量电子海图中获取的障碍物属性对不同障碍物进行划分；

将势场影响范围临界点的最大偏移距离作为安全距离，根据障碍物的危险程度设置不同的安全距离；

将不同障碍物的势场模型进行叠加，得到完整的障碍物势场模型。

2.根据权利要求1所述的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，其特征在于，所述获取特定海域的电子海图数据，并对电子海图数据进行提取，得到待建模环境的障碍物分布情况，具体包括：

选取一海域的电子海图，对电子海图中的矢量数据进行处理，获得精确的水深、陆域以及障碍物数据；

对电子海图中的数据进行简化，去掉其中存在的共线点；

将障碍物用多边形的形式进行表示。

3.根据权利要求1所述的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，其特征在于，所述对于单个障碍物多边形，根据等距偏移算法，对多边形轮廓进行外偏移，得到偏移后的多边形，具体包括：

根据多边形的顶点对多边形进行划分，得到组成多边形的一系列线段；

根据组成多边形的线段与预设的偏移距离，将线段向外进行偏移，得到偏移后的平行线段；

将偏移后的平行线段进行相交，得到偏移后的多边形。

4.根据权利要求1所述的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，其特征在于，所述对偏移后得到的多边形顶点进行优化处理，使其更接近原本的形状，具体包括：

用圆弧连接偏移后需要进行线段延长相交的平行线段端点；

用线段近似表示圆弧；

用近似圆弧的线段代替原本的线段延长线。

5.根据权利要求1所述的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，其特征在于，所述对优化处理后的多边形进行离散数据插值处理，得到适合构建障碍物势场模型的数据，具体包括：

对于偏移后得到的多边形，将其顶点按照逆时针顺序排列；

从任一点出发，在该点与下一点之间按照线性插值的方法，每隔特定距离便增加一个点；

对多边形中所有顶点均进行数据插值，得到适合构建障碍物势场模型的数据。

6.根据权利要求1所述的基于多边形等距离外扩的环境势场模型构建方法，其特征在于，所述将不同障碍物的势场模型进行叠加，得到完整的障碍物势场模型，具体包括：

对特定海域内所有障碍物构建势场模型；

将其中一点的势场值作为不同障碍物势场在该点处势场值的和；

将不同障碍物形成的势场进行叠加，形成最终障碍物势场模型。