一種基于鄰域智能水滴算法的水面無人艇路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及水面無人艇路徑規(guī)劃【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于鄰域智能水滴算法的水面無人艇路徑規(guī)劃方法。本發(fā)明包括：（1）對(duì)水面無人艇路徑規(guī)劃進(jìn)行環(huán)境建模；（2）利用智能水滴算法根據(jù)已知水面無人艇作業(yè)區(qū)域靜態(tài)障礙物、行進(jìn)目標(biāo)以及路徑評(píng)價(jià)函數(shù)在作業(yè)區(qū)域柵格陣中進(jìn)行離線全局路徑規(guī)劃，得到全局離線最優(yōu)路徑。本發(fā)明針對(duì)基本IWD方法存在的易陷入局部最優(yōu)解導(dǎo)致方法停滯及收斂速度較慢的問題進(jìn)行了改進(jìn)，在基本IWD方法基礎(chǔ)上引入了最優(yōu)解鄰域擴(kuò)張機(jī)制及全局最優(yōu)強(qiáng)調(diào)機(jī)制，得到NIWD方法，可以避免方法陷入局部最優(yōu)導(dǎo)致早熟，提高了方法尋優(yōu)的收斂速度。
【專利說明】一種基于鄰域智能水滴算法的水面無人艇路徑規(guī)劃方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水面無人艇路徑規(guī)劃【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于鄰域智能水滴算法的水面無人艇路徑規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著作戰(zhàn)方式的變革，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展趨勢(shì)之一，水面無人艇(USV)可承擔(dān)情報(bào)收集、海上偵察監(jiān)視、精確打擊、搜捕、水文地理勘察、反恐、海洋封鎖支持等功能，因此發(fā)展迅速。自主航線規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)USV自治航行的重要環(huán)節(jié)。
[0003]USV路徑規(guī)劃代表性方法主要有人工勢(shì)場(chǎng)法，遺傳算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，快速隨機(jī)搜索樹算法(RRT)。使用人工勢(shì)場(chǎng)法只能解決局部空間的避障問題，它缺乏全局信息，很容易陷入局部最小值，導(dǎo)致產(chǎn)生振蕩或停滯不前的路徑；遺傳算法對(duì)新空間的探索能力較差，較難構(gòu)造合適的適應(yīng)度函數(shù)，且較易收斂到局部最優(yōu)解；使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較難獲得具有代表性的訓(xùn)練樣本，在USV復(fù)雜的作業(yè)空間內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)；RRT算法的隨機(jī)性導(dǎo)致結(jié)果只能概率完備，在USV動(dòng)態(tài)作業(yè)空間該算法缺乏穩(wěn)定性且易出現(xiàn)偏離最優(yōu)路徑。
[0004]受自然啟發(fā)興起的智能算法最近幾年發(fā)展迅猛，研究者開始利用某些智能算法解決無人系統(tǒng)路徑規(guī)劃問題。智能水滴算法(Intelligent Water Drops, IWD)首次由Shah-Hosseini于2007年提出[12]。IffD算法模擬了自然界當(dāng)中河流與河床相互作用的動(dòng)態(tài)過程，即河流總可以根據(jù)周圍河床環(huán)境選擇一條最優(yōu)的路徑流向湖泊或海洋。由于IWD算法具有正反饋機(jī)制和較強(qiáng)的魯棒性，被成功應(yīng)用于無功優(yōu)化調(diào)度問題，灰度圖像處理，分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)攻擊抵抗等工 程問題。盡管IWD算法在各領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，但是IWD算法仍然存在易陷入局部最優(yōu)解導(dǎo)致算法早熟并且收斂速度較慢的問題。將其利用在USV路徑規(guī)劃問題時(shí)需要針對(duì)這些問題做進(jìn)一步改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種有效的、快速的基于鄰域智能水滴算法的水面無人艇路徑規(guī)劃方法。
[0006]( I)對(duì)水面無人艇路徑規(guī)劃進(jìn)行環(huán)境建模:
[0007](1.1)對(duì)水面無人艇路徑規(guī)劃的作業(yè)區(qū)域建立對(duì)應(yīng)的柵格工作區(qū)，作為智能水滴搜索最優(yōu)路徑的搜索區(qū)域；
[0008]在二維平面中進(jìn)行路徑規(guī)劃，S為起始點(diǎn)，T為目的地，在水面無人艇作業(yè)區(qū)域內(nèi)建立全局直角S-XY，其中原點(diǎn)為S，以吞萬(wàn)向?yàn)閄軸正向，以垂直于瓦方向?yàn)閅軸；
[0009]對(duì)水面無人艇作業(yè)區(qū)域進(jìn)行柵格化，得到作業(yè)區(qū)域柵格陣，以S為柵格陣起點(diǎn)，柵格陣方向與坐標(biāo)系S-XY方向一致，基準(zhǔn)柵格尺寸為I = V.At，其中V為水面無人艇預(yù)期運(yùn)行速度大小，At為水面無人艇實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃周期，任何一個(gè)柵格中心點(diǎn)都可以用柵格坐標(biāo)Cri, Ci)唯一標(biāo)識(shí),其 中Cri, ci) = (xi/l, yjl), (Xi, y)為該柵格中心點(diǎn)在坐標(biāo)系S-XY中的位置坐標(biāo)；[0010]將水面無人艇作業(yè)區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)障礙物所覆蓋的柵格標(biāo)志為1，表示障礙柵格，不滿一個(gè)柵格的按照一個(gè)柵格處理，其余柵格標(biāo)志為O,表不自由柵格，將每一個(gè)障礙柵格中
心點(diǎn)坐標(biāo)置于障礙點(diǎn)集合VtjbstadJ }中；
[0011]在作業(yè)區(qū)域柵格陣中進(jìn)行路徑規(guī)劃，從S到T的候選路徑可以表示為:path ={S，P1, P2,…，T}，其中路徑點(diǎn)Pi為柵格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，其在坐標(biāo)坐標(biāo)系S-XY坐標(biāo)為(r” Ci)，S與T坐標(biāo)分別為(O, O)及(rT, O)；
[0012](1.2)確定評(píng)價(jià)智能水滴搜索得到的路徑的代價(jià)函數(shù):
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種基于鄰域智能水滴算法的水面無人艇路徑規(guī)劃方法，其特征在于: (1)對(duì)水面無人艇路徑規(guī)劃進(jìn)行環(huán)境建模: (1.1)對(duì)水面無人艇路徑規(guī)劃的作業(yè)區(qū)域建立對(duì)應(yīng)的柵格工作區(qū)，作為智能水滴搜索最優(yōu)路徑的搜索區(qū)域； 在二維平面中進(jìn)行路徑規(guī)劃，S為起始點(diǎn)，T為目的地，在水面無人艇作業(yè)區(qū)域內(nèi)建立全局直角S-XY，其中原點(diǎn)為S，以吞方向?yàn)閄軸正向，以垂直于好方向?yàn)閅軸； 對(duì)水面無人艇作業(yè)區(qū)域進(jìn)行柵格化，得到作業(yè)區(qū)域柵格陣，以S為柵格陣起點(diǎn)，柵格陣方向與坐標(biāo)系S-XY方向一致，基準(zhǔn)柵格尺寸為I = V.At，其中V為水面無人艇預(yù)期運(yùn)行速度大小，At為水面無人艇實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃周期，任何一個(gè)柵格中心點(diǎn)都可以用柵格坐標(biāo)Cri, Ci)唯一標(biāo)識(shí),其中Cri, ci) = (xi/l, yjl) (Xi, y)為該柵格中心點(diǎn)在坐標(biāo)系S-XY中的位置坐標(biāo)； 將水面無人艇作業(yè)區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)障礙物所覆蓋的柵格標(biāo)志為1，表示障礙柵格，不滿一個(gè)柵格的按照一個(gè)柵格處理，其余柵格標(biāo)志為O，表示自由柵格，將每一個(gè)障礙柵格中心點(diǎn)坐標(biāo)置于障礙點(diǎn)集合

Vobstacle { }中； 在作業(yè)區(qū)域柵格陣中進(jìn)行路徑規(guī)劃，從S到T的候選路徑可以表示為:path ={S，Pl, p2,…，T}，其中路徑點(diǎn)Pi為柵格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，其在坐標(biāo)坐標(biāo)系S-XY坐標(biāo)為(r” Ci)，S與T坐標(biāo)分別為(O, O)及(rT, O)； (1.2)確定評(píng)價(jià)智能水滴搜索得到的路徑的代價(jià)函數(shù): f(path) = α.dist(path) + β.smooth (path) 其中α、β為權(quán)值，值大小表示對(duì)相應(yīng)的代價(jià)子函數(shù)的重視程度；
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK103744428SQ201410022398
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】趙玉新, 李旺, 常帥, 杜雪, 吳迪, 賈韌鋒 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)