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申请/专利权人：遵义师范学院

摘要：一种无人船舰路径规划方法，首先将USV从起点到终点的环境进行栅格化建模，然后进行全局路径规划，再进行静态障碍物的避障，再进行动态障碍物的避障；本发明加入了硬件COMPASS偏转信息以及设置相应的阈值，自适应的实时调整方向，使其始终指向终点，极大的改进了算法，虽然增加了复杂度，但是极大的改善了收敛性。

主权项：1.一种无人船舰路径规划方法，其特征在于：它步骤如下：步骤一：首先将USV从起点到终点的环境进行栅格化建模，将环境栅格化为一定数量的栅格，以二值格式对栅格进行编码：1表示当前栅格存在障碍物，0表示无障碍物；每个栅格的属性存储包括障碍物位置、海浪波幅、海流流速、海风风速信息；再利用仿生学原理，对障碍物栅格进行腐蚀和膨胀，A关于B的腐蚀和膨胀分别定义为如下： A-b是A关于B的映射的平移集合，Ab是A关于B的平移集合；在形态学中，腐蚀运算删除图像中障碍物边界的某些像素，使目标区域范围变小，可以用来消除那些比较小且无意义的物体；而膨胀运算则给图像对象边界添加像素，会使目标区域范围变大，将于目标区域接触的背景点合并到该目标中，使目标边界向外部扩张，用来填补物体中的空洞；先膨胀后腐蚀操作称为闭运算，先腐蚀后膨胀操作为开运算，分别表示为如下： 其中，闭运算连接相临近的物体，平滑其边界的同时并不明显的改变其面积；而开运算在细微点处分离物体，平滑较大物体的同时并不明显的改变其面积，对障碍物进行开运算，经过此运算以后，可行空间与障碍物空间得到了精细的划分；步骤二：经过步骤一运算以后，先进行全局路径规划，首先结合电子海图，使用高精度GPS定位目前USV在海洋中的当前位置，结合COMPASS，运用蚁群算法，粗略规划出一条从起点到终点的全局路线，COMPASS自定义设置从当前USV位置指向终点目标位置方向为零度方向，COMPASS偏离角度为，逆时针为正，顺时针为负，具体蚁群算法采用如下步骤：1初始化蚁群参数，假设蚁群规模为n，最大迭代次数为Nmax，初始化每条边的信息素量值：τij0＝1，Δτij0＝0；2将蚂蚁放置在GPS定位的误差范围内的航迹规划空间的起始点上，设置禁忌表为对应的顶点；3按照蚂蚁的转移规则和转移概率来计算概率： k--第k只蚂蚁；ψ00≤ψ0≤1--可以根据经验得到的固定阈值常数；ψ--均匀分布在[0,1]之间的随机数；τijt--第t次迭代时节点i到节点j的路径上的信息素浓度；αα＞0--信息素重要性指数；ηijt--第t次迭代时节点i到节点j的路径上的距离启发信息，大小为ηijt＝1Lij；Lij--节点i到节点j的路径上的能耗启发信息；ββ＞0--距离启发信息重要性指数； --第t次迭代时节点i到节点j的罗盘偏转角度启发信息，大小为1|θ|，其中|θ|表示罗盘的偏转角度；γγ＞0--罗盘偏转角度启发信息重要性指数；通过计算出的概率选择下一个节点，对每只蚂蚁经过一次一步移动后进行信息素局部更新，更新禁忌表；继续计算概率；τijt+1＝1-ρτijt+Δτij，τijt+1--移动一步后的信息素浓度；τijt--第t次迭代时节点i到节点j的路径上的信息素浓度；ρ0＜ρ＜1--信息素局部更新挥发系数；Δτijt--本次循环中各只蚂蚁在路径i→j上留存的信息素浓度，--信息素的改变值；Q--根据经验设置的常数；LS--蚂蚁k在本次循环中所走的总路径航迹综合值；通过计算出的概率再选择节点及更新禁忌表，直到遍历所有节点一次；对所有蚂蚁完成一次迭代后得到的最优路径进行信息素全局更新，继续计算概率； ρρ--信息素全局更新挥发系数；OP--本性循环中所得最优路径；Λ--当前得到的最优解；这时根据这次的概率同时更新禁忌表；4计算该只蚂蚁留在各边的信息素量，丢弃该只蚂蚁；5重复3至4，直至n只蚂蚁都遍历完毕；6计算各边的信息素增量和信息素总量，同时记录本次迭代的路径，更新当前的最优路径，清空禁忌表；7判断是否达到预定的迭代步数Nmax，或者判断是否出现停滞现象，若是，算法结束，输出当前的最优路径；否则，转步骤二，进行下一次迭代；局部路径规划采用激光雷达Lidar,其自带速度可调的小型电机，雷达探测仪可以360度旋转，测量USV周围障碍物的距离，用于局部动态避障和静态避障；外界海洋环境瞬息变化，前面规划完全局路径后，不能保证相关的节点始终静止不动，如遇到速度缓慢变化的障碍物，或由于外面临时出现的静态障碍物时，必须实现局部应急路径规划；步骤三：在进行静态障碍物的避障采用如下步骤：1自定义设置USV与目的地连线方向为0度方向，USV当前前进方向为1方向，USV与障碍物的切线方向为3，方向1与方向2夹角为θ1，可以通过电子罗盘实时检测出来，方向2与方向3夹角为θ2，USV与障碍物的距离为L，可以通过激光雷达计算出来，障碍物半径为r；2USV要避开障碍物，控制转向舵机顺时针旋转θ1+θ2，即可避开静态障碍物；3当USV避开障碍物后，快速回到原全局规划路径上；步骤四：再进行动态障碍物的避障采用如下步骤：1动态避障采用上位机设计的GUI远程控制界面，人工操控USV暂时避开障碍物，而后USV继续回到原全局规划路径上，直到到达目的地为止。

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