【技術實現步驟摘要】
本申請涉及路徑規劃，尤其涉及一種航行器路徑規劃方法、系統、設備及介質。
技術介紹
1、在航行器避障和路徑規劃領域，動態窗口法（dwa）作為一種局部路徑規劃算法，面臨以下問題：首先，dwa算法的高計算開銷使得實時處理大量狀態空間變得困難，從而影響系統的實時性與響應速度。其次，動態環境中障礙物的變化增加了狀態空間的復雜性，導致傳統dwa難以迅速適應。此外，路徑評估效率低下使得在關鍵時刻航行器未能及時做出反應，而對動態限制的處理也不足，增加了潛在的安全風險。
2、因此，如何通過優化搜索過程降低算法復雜度，在短時間內實現更精細的速度空間搜索，從而提升航行器避障路徑規劃的效率和實時性，增強其對動態避障的應對能力，是當前亟待解決的問題。
技術實現思路
1、本申請提供一種航行器路徑規劃方法、系統、設備及介質，其解決了路徑規劃過程中算力復雜且計算量大的技術問題，達到了降低算法復雜度，在短時間內實現更精細的速度空間搜索，提升航行器避障路徑規劃的效率和實時性的技術效果。
2、為了達到上述目的，本申請采用的主要技術方案包括：
3、第一方面，本申請實施例提供一種航行器路徑規劃方法，所述方法包括：
4、基于航行器的物理結構和障礙物信息確定速度采樣窗口；
5、采用所述速度采樣窗口獲取采樣時間內所述航行器的速度組合，并生成所述速度組合對應的航行器模擬軌跡；
6、基于預設的動態窗口評價函數，采用蝗蟲算法從所述航行器模擬軌跡中確定出最佳評價函數
7、本實施例提供的一種航行器路徑規劃方法，通過基于航行器的物理結構和障礙物信息設定合適的速度采樣窗口，避免不現實的速度組合，確保可行性和安全性。接著，在這個速度采樣窗口內獲取速度組合并生成真實的模擬軌跡，增強了路徑規劃的多樣性。最后，利用動態窗口評價函數和蝗蟲算法，從生成的軌跡中快速評估并確定最佳路徑，確保航行器能夠在復雜環境中有效規避障礙，實現了高效、靈活且安全的軌跡生成。
8、可選地，所述基于航行器的物理結構和障礙物信息確定速度采樣窗口，包括：
9、根據所述航行器的物理結構中線速度和角速度的約束，確定所述航行器在運動學性能約束下達到的運動學速度空間；
10、根據所述航行器的物理結構中主動力和轉向操縱力矩的約束，確定所述航行器在動力學性能約束下達到的動力學速度空間；
11、根據所述航行器與所述障礙物信息中碰撞距離的約束，確定所述航行器在安全條件下達到的安全速度空間；
12、基于所述運動學速度空間、所述動力學速度空間和所述安全速度空間，確定所述速度采樣窗口。
13、本實施例根據航行器的物理結構中的線速度和角速度的約束，明確其在運動學性能約束下的可行運動學速度空間。確保了生成的速度組合在物理上可行。接著，考慮航行器的主動力和轉向操縱力矩的約束，確定其在動力學性能約束下的動力學速度空間，這增強了航行器的動力學適應性和推進效率。最后，依據航行器與障礙物之間的碰撞距離約束，定義其在安全條件下的安全速度空間。這一措施顯著提升了航行的安全性，并有效降低了事故發生的風險。通過這三個速度空間的綜合實施，可以有效確定航行器的速度采樣窗口，從而提高其運動性能和安全性。
14、可選地，所述采用所述速度采樣窗口獲取采樣時間內所述航行器的速度組合，并生成所述速度組合對應的航行器模擬軌跡，包括：
15、在所述速度采樣窗口內，根據采樣時間進行采樣，得到所述速度組合；
16、利用航行器運動學模型對所述速度組合進行軌跡模擬，得到所述航行器模擬軌跡。
17、本實施例通過在設定的速度采樣窗口內根據采樣時間對航行器的速度組合進行采樣，獲取豐富的速度數據，增強了航行器的靈活性以適應不同的航行環境。接著，利用航行器的運動學模型對這些速度組合進行軌跡模擬，從而精準預測航行器在不同速度下的軌跡。
18、可選地，所述預設的動態窗口評價函數為：
19、
20、其中，heading(v,w)為方位角評價函數；α為方位角評價函數的權重；velocity(v,w)為速度評價函數；β為速度評價函數的權重；dist(v,w)為距離評價函數；γ為距離評價函數的權重；traj_dist(v,w)為軌跡點距離評價函數；δ為軌跡點距離評價函數的權重；lead_dist(v,w)為引導點距離評價函數；ε為引導點距離評價函數的權重；σ為平滑函數，對各項評價函數進行歸一化處理。
21、本實施例新的動態窗口評價函數通過引入軌跡點距離評價函數和引導點距離評價函數，增強了對航行器模擬軌跡的綜合評價能力。通過優化航行器向障礙物側后方移動的軌跡，符合國際海上碰撞規則，提高了整體航行安全性。進而使得航行器在復雜環境中能夠更有效地避障，提高了避障效率和成功率。同時，結合原有的方位角評價函數、速度評價函數和距離評價函數的加權組合，既確保了航行器的安全性，又鼓勵其以較高速度前進，從而提升航行效率。此外，還能夠實時調整權重因子，以適應不同的航行條件和障礙物分布，展現出更強的靈活性。
22、可選地，所述軌跡點距離評價函數和所述引導點距離評價函數中包括所述障礙物對應預測的特征狀態；
23、所述障礙物對應預測的特征狀態的獲取方式包括：
24、基于ais系統獲取所述障礙物當前的特征狀態；
25、根據所述當前的特征狀態，采用卡爾曼波濾波器生成所述障礙物對應預測的特征狀態。
26、本實施例通過基于ais系統實時獲取障礙物的當前特征狀態，為后續處理提供了數據基礎，增強了航行器的感知能力。隨后，利用卡爾曼濾波器對這些特征狀態進行處理，生成對障礙物運動軌跡的預測。這一過程提升了障礙物檢測精度，使航行器能夠制定更合理的避障策略，降低碰撞風險，從而整體提高航行安全性。
27、可選地，所述根據所述當前的特征狀態，采用卡爾曼波濾波器生成所述障礙物對應預測的特征狀態，包括：
28、構建所述障礙物的狀態方程xk、測量方程zk和預測矩陣ak：
29、
30、
31、
32、
33、
34、其中，xk為第k時刻的狀態向量；uk為第k時刻的輸入向量；f(xk-1,uk-1)為非線性狀態方程；wqk-1為第k-1時刻的過程噪聲；longk為第k時刻障礙物的經度；vtk為第k時刻障礙的速度；βtk為第k時刻障礙的航向；latik為第k時刻障礙物的緯度；t為第k-1時刻到第k時刻的時間間隔；
35、獲取上一時刻預測矩陣ak-1、上一時刻狀態方程xk-1、上一時刻的狀態協方差矩陣pk-1、上一時刻的過程噪聲協方差矩陣qk-1、當前時刻的測量噪聲協方差矩陣rk、當前時刻的測量方程zk；
36、預測當前時刻的特征狀態，其中，；
37、預測當前時刻的預測狀態協方差矩本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種航行器路徑規劃方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于航行器的物理結構和障礙物信息確定速度采樣窗口，包括：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述速度采樣窗口獲取采樣時間內所述航行器的速度組合，并生成所述速度組合對應的航行器模擬軌跡，包括：
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預設的動態窗口評價函數為：
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述軌跡點距離評價函數和所述引導點距離評價函數中包括所述障礙物對應預測的特征狀態；
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述根據所述當前的特征狀態，采用卡爾曼波濾波器生成所述障礙物對應預測的特征狀態，包括：
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于預設的動態窗口評價函數，采用蝗蟲算法從所述航行器模擬軌跡中確定出最佳評價函數值對應的目標航行器模擬軌跡，包括：
8.一種航行器路徑規劃系統，其特征在于，所述系統包括：
9.一種計算機設備，其特征在于，包括：<...
【技術特征摘要】
1.一種航行器路徑規劃方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于航行器的物理結構和障礙物信息確定速度采樣窗口，包括：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述速度采樣窗口獲取采樣時間內所述航行器的速度組合，并生成所述速度組合對應的航行器模擬軌跡，包括：
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預設的動態窗口評價函數為：
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述軌跡點距離評價函數和所述引導點距離評價函數中包括所述障礙物對應預測的特征狀態；
6.根據權利要...
【專利技術屬性】
技術研發人員：佘瑩瑩，操戈，孫廣慶，劉剛，徐侃，李強，劉承，趙寅，唐一夫，
申請(專利權)人：中國船舶集團有限公司第七一九研究所，
類型：發明
國別省市：
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