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专利号: 2024118822466
申请人: 广东海洋大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:获取锚地区域的环境地图,将所述锚地区域内各个锚泊船舶的坐标分别作为种子点生成Voronoi多边形,将所述环境地图划分为若干个Voronoi多边形,并将划分之后的环境地图进行栅格化处理;

S2:基于高斯影响函数对每个Voronoi多边形内部的各个栅格进行风险评估,包括以下步骤:将栅格的中心点坐标记为(x,y),根据以下步骤计算无人船在该栅格位置与锚泊船舶(x0,y)0 发生碰撞的风险值:将点(x,y)作为起点,θ作为船舶航向角,使用锚泊船舶的坐标(x0,y0)旋转船舶航向坐标系:其中,( , )为旋转转换后的栅格的中心点坐标;

判断旋转转换后的栅格的中心点坐标( , )是否位于椭圆形的禁航区域内:若点(, )满足 ,则点( , )在椭圆形的禁航区域内,将栅格中心到禁航区域边界的距离d=0;否则,点( , )不在椭圆形的禁航区域内,进一步计算点( , )到禁航区域边界的距离d;

基于高斯影响函数,根据距离d计算该栅格的风险值 :其中,n表示该栅格的标识符;σ表示高斯影响函数的参数;

并根据风险评估结果进行初始路径规划,获取初始路径;

S3:基于Bresenham直线算法对所述初始路径进行第一次路径平滑,以消除初始路径中的不必要转弯和冗余节点,获取第一平滑路径;

S4:基于三次B样条算法对所述第一平滑路径进行第二次路径平滑,以减少一次平滑路径中急转弯的数量,获取第二平滑路径;

所述无人船在锚地区域根据所述第二平滑路径进行自主导航。

2.根据权利要求1所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S1中,每个所述Voronoi多边形分别独立进行风险评估;

每个所述锚泊船舶的坐标到其相应的Voronoi多边形边界的距离为船间距的一半;每个所述锚泊船舶仅影响其相应的Voronoi多边形内的通航水域。

3.根据权利要求1所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S1中,将锚泊船舶的坐标记为(x0,y0),船舶航向角记为θ,则该锚泊船舶的周围安全区域为椭圆形的禁航区域,所述椭圆形的中心点为(x0,y0),半长轴为a,半短轴为b,a和b分别为第一和第二预设参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,当点( , )不在椭圆形的禁航区域内时,计算该点相对于椭圆形的禁航区域中心的角度 :根据角度 ,计算椭圆形的禁航区域上对应的边界点( , ):计算旋转转换后的栅格的中心点坐标( , )到禁航区域边界的距离d:。

5.根据权利要求4所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S2中,基于A*算法、遗传算法和强化学习算法中的任意一种,根据风险评估结果进行初始路径规划,获取初始路径。

6.根据权利要求5所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S2中,基于A*算法,根据风险评估结果进行初始路径规划,包括以下步骤:对传统的A*算法进行改进,表示为:

其中, 是当前节点的总成本, 表示从起点S到当前节点n的路径成本, 表示从当前节点n到目标节点G的估计最小成本,(xG,yG)为目标节点G的坐标;( ,)为当前节点n的坐标;

利用改进后的A*算法在栅格化处理后的环境地图中进行初始路径规划,获取初始路径,所述初始路径包括若干个离散坐标点 。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S3包括以下步骤:S31:利用原始路径的起始点 初始化第一平滑路径 ,表示为:;

S32:将起始点 作为起点、原始路径中起点之后的其他点作为终点,分别利用线段建立临时连接,并分别使用Bresenham直线算法获取各线段两个端点之间的离散点集 ;

S33:计算每个离散点集 中各个点的风险值,筛选出内部所有点的风险值均不超过预设风险阈值的离散点集 ,并获取 对应的各个线段;

S34:在 对应的各个线段中,将长度最长的线段终点添加到第一平滑路径中,更新所述第一平滑路径 ;

S35:将第一平滑路径 中最新加入的点作为新的线段起点,重复步骤S32 S34,~不断更新所述第一平滑路径 ,并将最后一次更新获得的第一平滑路径 进行保存,完成第一次路径平滑。

8.根据权利要求7所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S4包括以下步骤:在所述第一平滑路径 中,每隔固定距离插入新的控制点,获取插入控制点后的路径 ,其中, , 为插入控制点后的路径点数量;

利用插入控制点后的路径 构建三阶B样条曲线 :

其中,t∈[0,1]为预设参数; 为基函数;为 中的第i个点;

根据所述三阶B样条曲线 生成路径 ,将所述路径 作为所述第二平滑路径。

9.根据权利要求8所述的一种基于风险感知的锚地区域无人船路径规划方法,其特征在于,所述步骤S4还包括:计算所述路径 与第一平滑路径 总长度差值的绝对值,判断所述差值的绝对值是否小于等于预设变化阈值,若是,则将所述路径 作为所述第二平滑路径;否则,重新生成路径 ,重新进行判断。