本發(fā)明涉及海上無人船全局路徑規(guī)劃領域，具體為一種基于海圖數(shù)據(jù)的無人船全局路徑規(guī)劃導航方法。

背景技術：

1、隨著海上交通密度的增加和無人船技術的快速發(fā)展，無人船在海洋環(huán)境中的自主航行能力變得尤為重要。路徑規(guī)劃作為無人船實現(xiàn)自主航行的關鍵技術之一，其準確性和效率直接影響無人船的航行安全性和作業(yè)效率。傳統(tǒng)的無人船路徑規(guī)劃方法通常面臨海圖數(shù)據(jù)利用不足、路徑規(guī)劃精度低、耗時長等問題，未能充分利用海圖數(shù)據(jù)的特性；

2、(1)如國家專利申請?zhí)?02210712060.0的一種基于改進a星算法的無人船路徑規(guī)劃方法；包括以下步驟：步驟s1：利用語義分割結果所得到的環(huán)境信息建立柵格地圖，每個柵格被標記為可行區(qū)域或障礙區(qū)域，并給定路徑規(guī)劃的起始點b和目標點；步驟s2：引入方位角代價優(yōu)化代價函數(shù)f(n)，降低總搜索路徑點，提高搜索效率；步驟s3：對改進后的a*算法尋路結果進行剪枝與b樣條曲線優(yōu)化，降低路徑總長度的同時使得行駛路徑更加平緩；步驟s4：添加碰撞檢測功能，為無人船與障礙物之間預留足夠的安全距離。本發(fā)明引入方位角代價對傳統(tǒng)a*算法的代價函數(shù)進行優(yōu)化，對改進后的a*算法尋路結果進行剪枝與b樣條曲線優(yōu)化，降低路徑總長度的同時使得行駛路徑更加平緩。

3、(2)如國家專利申請?zhí)?02311870105.8的基于融合astar和dwa算法的無人船路徑規(guī)劃方法，方法包括：步驟s1，建立無人船航行的柵格地圖，在柵格地圖中設置無人船的出發(fā)點及終點；步驟s2，通過astar算法，規(guī)劃出一條從出發(fā)點到終點的全局路徑，并通過優(yōu)化策略減少全局路徑中的節(jié)點數(shù)量；步驟s3，采用dwa算法，以優(yōu)化后的全局路徑為基礎，在相鄰節(jié)點之間進行動態(tài)局部規(guī)劃，最終為無人船規(guī)劃出一條最優(yōu)的動態(tài)避障路徑。本發(fā)明能夠對全局路徑進行整體優(yōu)化及局部優(yōu)化，最終規(guī)劃出一條最優(yōu)的動態(tài)避障路徑。

4、上述專利(1)及專利(2)存在的問題是：

5、1、沒有公布如何獲取環(huán)境信息，以及如何建立柵格地圖的：也就是說其未考慮真實的海圖信息；

6、2、沒有考慮算法坐標系來源：未接入真實海洋經(jīng)緯度坐標系。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種可獲取當前待行駛水域海圖數(shù)據(jù)，充分利用海圖中各物標類目信息，提取礙航物數(shù)據(jù)，構建海上安全網(wǎng)格地圖，提高路徑規(guī)劃的準確性和效率的一種基于海圖數(shù)據(jù)的無人船全局路徑規(guī)劃導航方法。

2、本發(fā)明要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現(xiàn)的，一種基于海圖數(shù)據(jù)的無人船全局路徑規(guī)劃導航方法，包括以下步驟；

3、步驟s1：接收無人船本地或遠程操控軟件下發(fā)的航行路線起始點s和目標點g的經(jīng)緯度信息；

4、步驟s2：根據(jù)起始點s和目標點g的經(jīng)緯度信息，計算以兩點連線中點為矩形中心點c、連線長度為邊長并進行適當膨脹的正方形區(qū)域r，中心點c的坐標由公式clon＝0.5*(slon+glon)和clat＝0.5*(slat+glat)計算得出，其中slon、slat為起始點s的經(jīng)緯度坐標，glon、glat為目標點g的經(jīng)緯度坐標，clon、clat表示中心點c的經(jīng)緯度坐標，正方形區(qū)域r的邊長rl通過公式rl＝n*l計算得出，l為兩點間距離，n為膨脹系數(shù)，取值范圍為1.5至2.0；

5、步驟s3：訪問海圖數(shù)據(jù)接口，獲取正方形區(qū)域r內的海圖礙航物數(shù)據(jù)，篩選影響航行的礙航物并進行安全等級分類t，對線狀和面狀數(shù)據(jù)進行線性插值，確保插值后兩點間隔小于網(wǎng)格分辨率reso，得到礙航物數(shù)據(jù)經(jīng)緯度坐標列表obs，obs包含經(jīng)緯度坐標及安全等級分類t；

6、步驟s4：將起始點s、目標點g及礙航物obs的坐標由經(jīng)緯度轉換為墨卡托xy坐標，并輸入至改進的全局路徑規(guī)劃a星算法中；

7、步驟s5：a星算法根據(jù)網(wǎng)格分辨率reso對起始點、目標點及礙航物進行網(wǎng)格化處理，生成網(wǎng)格坐標sij、gij及obsij，同時考慮無人船安全距離safedis進行礙航物網(wǎng)格邊界擴展，并保留最高安全等級t；

8、步驟s6：采用改進的a星算法進行全局路徑規(guī)劃，通過新的代價函數(shù)f(n)＝g(n)+(e*r+1)*h(n)進行節(jié)點擴展與碰撞檢測，其中e為根據(jù)當前節(jié)點n周圍障礙物網(wǎng)格等級t確定的代價擴展因子；r為常數(shù)0.0-1.0；其中g(n)為從起始節(jié)點到當前節(jié)點n的實際代價值，h(n)為從當前節(jié)點n到目標節(jié)點的估計代價值，e為當前節(jié)點n到目標節(jié)點的代價擴展因子，其值為：

9、e＝t，當前節(jié)點n周圍有障礙物網(wǎng)格時，障礙物網(wǎng)格的最大等級為t；

10、e＝0，當前節(jié)點n周圍沒有障礙物網(wǎng)格；

11、步驟s7：對規(guī)劃后的路徑網(wǎng)格點坐標列表pij進行簡化處理，通過雙重循環(huán)機制檢測并調整路徑點，以避免與礙航物網(wǎng)格碰撞，得到簡化的網(wǎng)格路徑點psij；

12、步驟s8：將簡化的網(wǎng)格路徑點psij轉換為實際的經(jīng)緯度坐標，得到最終的全局航行路徑pathlonlatij。

13、優(yōu)選地，步驟s3中，線狀/面狀數(shù)據(jù)插值的具體實施方式為；

14、計算待插值兩點a、b的經(jīng)緯度差異值diff_lon和diff_lat，根據(jù)網(wǎng)格分辨率reso計算插值步長diff_step，并據(jù)此計算插值數(shù)目interpolation_number，進而計算得到中間插值點的經(jīng)緯度坐標。

15、優(yōu)選地，改進的a星算法中的代價擴展因子e根據(jù)當前節(jié)點n周圍是否存在障礙物網(wǎng)格及其安全等級t動態(tài)調整，以優(yōu)化路徑規(guī)劃結果。

16、優(yōu)選地，安全等級分類t為1-4等級，等級越高越危險，其中1級包括錨泊區(qū)和水深區(qū)；2級包括陸地區(qū)和岸線結構物；3級包括障礙物和海上作業(yè)區(qū)；4級包括暗礁/適淹礁和沉船。

17、優(yōu)選地，步驟s3中，海圖數(shù)據(jù)接口的訪問方式為websocket接口。

18、優(yōu)選地，步驟s6中，進行a星全局路徑規(guī)劃，在擴展節(jié)點進行碰撞檢測時只需與障礙物網(wǎng)格列表obsij進行檢查，無需遍歷整個網(wǎng)格，提高檢測效率，最終得到規(guī)劃后的路徑網(wǎng)格點坐標列表pij。

19、優(yōu)選地，步驟s7中的簡化處理采用雙重循環(huán)機制，通過檢測當前點與遍歷點連線途經(jīng)的網(wǎng)格是否與礙航物網(wǎng)格碰撞，來調整路徑點位置，以確保路徑的安全性。

20、優(yōu)選地，步驟s7中，傳入規(guī)劃后的路徑網(wǎng)格點坐標列表pij以及礙航物網(wǎng)格坐標列表obsij，采用雙重循環(huán)機制，依次遍歷當前點到剩下的所有點，檢測當前點與遍歷的下一個點的連線所形成的途徑網(wǎng)格是否與礙航物網(wǎng)格有碰撞，有的話則將當前點挪至該點前一個點并記錄，沒有則繼續(xù)檢測下一個點，直至遍歷完成；最終得到簡化的網(wǎng)格路徑點psij，其包含路徑起始點和目標點。

21、優(yōu)選地，步驟s8中，將最終得到的簡化的網(wǎng)格路徑點psij，先按照網(wǎng)格分辨率轉換為實際的墨卡托xy坐標，再轉換為經(jīng)緯度形式，得到最終規(guī)劃好的全局航行路徑pathlonlatij。

22、優(yōu)選地，一種無人船全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)，包括：

23、數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收起始點s和目標點g的經(jīng)緯度信息；

24、區(qū)域生成模塊，用于根據(jù)經(jīng)緯度信息生成正方形區(qū)域r；

25、數(shù)據(jù)獲取與處理模塊，用于獲取區(qū)域r內的海圖礙航物數(shù)據(jù)并進行篩選、分類及插值處理；

26、坐標轉換模塊，用于將經(jīng)緯度坐標轉換為墨卡托xy坐標；

27、路徑規(guī)劃模塊，包含改進的a星算法，用于進行全局路徑規(guī)劃及碰撞檢測；

28、路徑簡化模塊，用于簡化規(guī)劃后的路徑網(wǎng)格點；

29、坐標反轉換模塊，用于將簡化后的網(wǎng)格路徑點轉換為經(jīng)緯度坐標，得到最終的全局航行路徑。

30、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益技術效果是：

31、(1)充分利用海圖信息：訪問指定區(qū)域海圖接口，獲取該區(qū)域礙航物數(shù)據(jù)，進行篩選、分類并插值，還原海上真實環(huán)境信息；

32、(2)提升路徑規(guī)劃效率：采用改進的a*算法進行全局路徑搜索，將所有礙航物全部轉換到障礙物網(wǎng)格列表，并進行去重，減少計算量，提高收斂速度，同時考慮了無人船的安全距離，并改進代價計算函數(shù)f(n)，更好的遠離障礙物；

33、(3)簡化航行路徑點數(shù)：在獲得全局路徑pij后，進行路徑點的簡化平滑，減少不必要的轉折點，獲得無人船航行的經(jīng)濟效益；

34、(4)形成了一種基于海圖數(shù)據(jù)的無人船全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)：接入了海上航行系統(tǒng)，從開始下發(fā)的起始點和目標點坐標到最終規(guī)劃出來的全局航行路徑pathlonlatij都是經(jīng)緯度坐標形式，符合海上航行數(shù)據(jù)形式及操控流程；

35、(5)該方法以海上無人船舶全局路徑規(guī)劃/導航為研究對象，通過獲取當前待行駛水域海圖數(shù)據(jù)，充分利用海圖中各物標類目信息，提取礙航物數(shù)據(jù)，構建海上安全網(wǎng)格地圖，提高了路徑規(guī)劃的準確性和效率。