一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法
阅读说明:本技术 一种基于栅格化电子海图的无人艇航路规划方法 (Unmanned ship route planning method based on rasterized electronic chart ) 是由 闫红州 岳林 朱奇舸 张逸凡 唐李军 于 2021-08-31 设计创作,主要内容包括: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。(The invention discloses a rasterized electronic chart-based unmanned ship route planning method, which comprises the following steps of: 1) carrying out discrete rasterization operation on the electronic chart, dividing the electronic chart into grid units with binary information, and encoding grids; 2) acquiring rasterized obstacle information through the rasterized electronic chart; 3) establishing two data structures of an open table and a close table; wherein, the open table stores the nodes which are calculated but not expanded, and the close table stores the nodes which are expanded and are to be expanded; the nodes are the central points of the grids; 4) and setting a heuristic function, estimating the cost of each searching node, and selecting the node with the minimum cost for expansion by comparing the estimated cost values of each node until a target point is found. The invention provides an unmanned ship route planning method based on a rasterized electronic chart.)
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
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。