本發(fā)明涉及水面船只路徑規(guī)劃，更具體的說是涉及一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、船舶智能避碰決策系統(tǒng)是一套綜合性導航安全輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在為船舶提供全天候、全方位的避碰決策支持。通過實時監(jiān)測和分析船舶周邊環(huán)境及海上交通情況，自動識別診斷潛在碰撞風險，并提出避碰航行建議，從而提高船舶在復雜海上環(huán)境中的航行安全性和效率。

2、dwa(dynamic?window?approach)算法是一種局部路徑規(guī)劃算法，適用于動態(tài)環(huán)境，實時性好。其基本思想是根據(jù)當前水面船只狀態(tài)和環(huán)境信息在局部范圍內(nèi)搜索可行的速度指令。當目標點位于障礙物后方時，dwa算法可能會受到局部搜索范圍的限制，導致無法生成到達目標的有效路徑。即當目標點位于障礙物后方時，水面船只可能需要反向移動才能繞過障礙物到達目標點，但是速度窗口可能無法覆蓋反向移動的速度范圍，導致無法生成合適的速度指令。另外在復雜或者限制性比較強的水域環(huán)境中，dwa算法容易陷入局部最優(yōu)解而無法找到全局最優(yōu)解，即表現(xiàn)為水面船只出現(xiàn)反復在相同的路徑上轉(zhuǎn)圈無法跳出的現(xiàn)象。

3、a*(a-star)算法是一種在圖形和網(wǎng)格中尋找從起始點到目標點最短路徑的廣泛使用的搜索算法。a*算法的核心是它的啟發(fā)函數(shù)h(n)，這個函數(shù)估計了從當前節(jié)點到目標節(jié)點的成本。通過改變啟發(fā)函數(shù)，可以從嚴格的最短路徑算法調(diào)整為更優(yōu)先考慮其他因素(如成本、時間、安全等)的搜索算法。a*算法因其高效性和準確性以及可靠性在路徑規(guī)劃和其他搜索問題中占據(jù)核心。

4、因此，如何克服dwa算法在進行局部路徑規(guī)劃時容易陷入局部最優(yōu)解的缺陷，提高水面船只路徑規(guī)劃的可行性和安全性是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，解決了背景技術(shù)存在的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、s1、根據(jù)電子海圖數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃的起點、終點構(gòu)建柵格化地圖，確定水面船只的物理信息；

5、s2、根據(jù)路徑規(guī)劃的起點、終點以及水面船只的物理信息，采用改進后的dwa算法進行路徑規(guī)劃，得到最佳的速度和角速度組合；

6、s3、當水面船只與障礙物之間小于安全距離時，調(diào)用改進后的a*算法進行當前位置到終點的全局路徑規(guī)劃，返回路徑點；

7、s4、提取路徑關(guān)鍵點作為改進后的dwa算法的臨時終點，繼續(xù)進行動態(tài)路徑規(guī)劃，直到水面船只到達終點；

8、s5、將融合改進后的dwa算法和a*算法導入到船舶智能避碰決策系統(tǒng)中，結(jié)合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和目標融合數(shù)據(jù)，生成最優(yōu)的避障路徑。

9、可選的，s1中，具體步驟如下：

10、根據(jù)起點和終點的位置坐標，計算得出包含起點、終點的最小矩形區(qū)域；

11、基于最小矩形區(qū)域，進行區(qū)域邊界的擴展，構(gòu)建柵格化地圖。

12、可選的，s1中，水面船只的物理信息包括：最高速度、最高旋轉(zhuǎn)角度、最大加速度、旋轉(zhuǎn)加速度、速度分辨率、轉(zhuǎn)速分辨率。

13、可選的，s2中，具體步驟如下：

14、s21、基于當前水面船只的狀態(tài)和運動模型，確定下一時刻的速度和角速度范圍，在動態(tài)窗口內(nèi)生成多條預(yù)測軌跡，并根據(jù)目標點和障礙物信息進行評分；

15、s22、基于評分結(jié)果，選出最優(yōu)的速度和角速度組合，指導水面船只朝向目標點移動。

16、可選的，s21中，具體步驟如下：

17、基于多條預(yù)測軌跡，計算預(yù)測軌跡終點的評價得分，包括航向得分、距離得分、速度得分和制動距離；

18、根據(jù)制動距離和障礙物信息判斷預(yù)測軌跡是否可行，將可行的預(yù)測軌跡及其評價得分存入數(shù)據(jù)庫；

19、對各評價得分進行正則化處理，根據(jù)評價得分的權(quán)重，計算每條預(yù)測軌跡的最終得分。

20、可選的，s3中，改進后的a*算法的啟發(fā)函數(shù)為在a*算法啟發(fā)函數(shù)基礎(chǔ)上引入障礙物距離懲罰項，即：

21、f(n)＝g(n)+h(n)

22、h(n)＝euclidean_cost(n)+obstacle_cost(n)

23、式中：g(n)表示當前節(jié)點n到起始節(jié)點s的實際距離代價；h(n)表示當前節(jié)點n到目標節(jié)點g的預(yù)測距離代價；euclidean_cost(n)表示當前節(jié)點n到目標節(jié)點g的歐幾里得距離啟發(fā)項；obstacle_cost(n)表示依據(jù)當前節(jié)點n到障礙物距離而產(chǎn)生的代價。

24、可選的，s4中，針對改進后的a*算法返回的路徑點，提取路徑關(guān)鍵點作為改進后的dwa算法的臨時目標點，其他路徑點不做處理。

25、可選的，s5中，船舶智能避碰決策系統(tǒng)的軟件由智能識別模型、智能融合模型和智能避碰系統(tǒng)組成，附帶有進行海圖放大、縮小、量算的小工具以及綜合態(tài)勢顯示界面。

26、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開提供了一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，具有以下有益效果：

27、(1)本發(fā)明通過電子海圖數(shù)據(jù)和起點、終點的經(jīng)緯度坐標構(gòu)建柵格地圖，相對于構(gòu)建整個電子海圖的柵格地圖而言，具有減少計算量、提高實時性、集中資源在重要區(qū)域、靈活性和可擴展性以及提高路徑規(guī)劃精度等多方面的優(yōu)點；這種方法能夠更高效、更準確地進行路徑規(guī)劃，特別適用于實時性要求高的動態(tài)環(huán)境；

28、(2)本發(fā)明根據(jù)水面船只的物理信息，運用改進后的dwa算法進行路徑規(guī)劃，其改進主要是優(yōu)化軌跡評價函數(shù)，評價函數(shù)得分的計算通過綜合考慮航向、距離和速度等因素，能夠生成更全面的路徑評估結(jié)果，基于權(quán)重調(diào)節(jié)、快速計算、可擴展性和平衡安全性與效率等優(yōu)點，顯著提高了路徑規(guī)劃的質(zhì)量和適應(yīng)性；

29、(3)當水面船只距離障礙物小于安全距離時，調(diào)用改進后的a*算法進行水面船只從當前位置到終點的全局路徑規(guī)劃，可以避免終點位于障礙物正后方時因dwa算法的速度窗口限制以及局部最優(yōu)解導致的水面船只出現(xiàn)反復在相同路徑上轉(zhuǎn)圈無法跳出的問題；

30、(4)將改進后的dwa算法和a*算法導入船舶智能避碰決策系統(tǒng)，結(jié)合豐富多源的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和目標融合數(shù)據(jù)能夠生成在復雜水域環(huán)境中最優(yōu)的避碰路徑，確保船只在復雜的海域下避開動態(tài)障礙物、靜態(tài)障礙物，安全且高效的到達目標點，該方法適用于復雜海域動態(tài)環(huán)境中。

技術(shù)特征：

1.一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s1中，具體步驟如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s1中，水面船只的物理信息包括：最高速度、最高旋轉(zhuǎn)角度、最大加速度、旋轉(zhuǎn)加速度、速度分辨率、轉(zhuǎn)速分辨率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s2中，具體步驟如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s21中，具體步驟如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s3中，改進后的a*算法的啟發(fā)函數(shù)為在a*算法啟發(fā)函數(shù)基礎(chǔ)上引入障礙物距離懲罰項，即：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s4中，針對改進后的a*算法返回的路徑點，提取路徑關(guān)鍵點作為改進后的dwa算法的臨時目標點，其他路徑點不做處理。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的dwa和a*算法的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，s5中，船舶智能避碰決策系統(tǒng)的軟件由智能識別模型、智能融合模型和智能避碰系統(tǒng)組成，附帶有進行海圖放大、縮小、量算的小工具以及綜合態(tài)勢顯示界面。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于船舶智能避碰決策系統(tǒng)的融合改進后的DWA和A<supgt;*</supgt;算法的路徑規(guī)劃方法，涉及路徑規(guī)劃領(lǐng)域。根據(jù)電子海圖數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃的起點、終點構(gòu)建柵格化地圖，確定水面船只的物理信息；采用改進后的DWA算法進行路徑規(guī)劃，當水面船只與障礙物之間小于安全距離時，調(diào)用改進后的A<supgt;*</supgt;算法進行當前位置到終點的全局路徑規(guī)劃，返回路徑點；提取路徑關(guān)鍵點作為改進后的DWA算法的臨時終點，繼續(xù)進行動態(tài)路徑規(guī)劃直到水面船只到達終點；將融合改進后的DWA算法和A<supgt;*</supgt;算法導入到船舶智能避碰決策系統(tǒng)，結(jié)合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和目標融合數(shù)據(jù)，生成最優(yōu)的避障路徑。本發(fā)明適用于復雜海域動態(tài)環(huán)境，能夠提高水面船只路徑規(guī)劃的可行性和安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉利強,孫敏,戴運桃,李剛,張振興
受保護的技術(shù)使用者：浙江科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19