时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法及系统

技术领域

本发明属于海洋机器人技术领域，具体涉及一种时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法及系统。

背景技术

风能驱动机器人是一种新型的海上航行器，相比于常规无人艇，风能驱动机器人能够利用海风实现长久续航，可以开展海气界面大范围、长时序的数据监测。其中，路径规划是风能驱动机器人技术研究的核心问题，不同的航路规划会影响风能驱动机器人的续航能力和航行安全性，基于风能驱动机器人获取的环境信息，开展风能驱动机器人局部路径规划研究具有重要意义。

文献《Toward an autonomous sailing boat》提出一种基于人工势场法的无人帆船局部路径规划方法。针对无人帆船的航行任务，基于人工势场法的原理，考虑航行中避开障碍物的安全性需求，建立障碍物势场，考虑帆船特定的运动学约束，将运动约束转化为虚拟障碍物，建立风势场，将两种势场叠加解算得到无人帆船的最佳航向。同时考虑无人帆船换舷带来的航向操纵成本，通过调整航行操纵成本的大小，最终得到换舷次数不同的避障航行路径。该文献提出的局部路径规划算法没有充分考虑时变风场的影响，并且其仿真实验没有设置时变风场条件，实船测试没有设置障碍物避碰条件，两个实验均无法较好的证明算法的有效性和先进性。

文献《A kelvin wake avoidance scheme for autonomous sailing robotsbased on orientation-restricted dubins path》提出一种能够避免尾流的无人帆船局部路径规划方法。首先将尾流建模为Kelvin尾流，并为基于方位限制Dubins路径的Kelvin尾迹避免方法生成航路点。仿真和实验验证了并排和朝向尾流两种航行情况下，所提出的避碰方法能有效避碰尾流。该文献主要对如何避免Kelvin尾流的影响这个问题进行研究，并未对时变风场下的无人帆船路径规划做出详细阐述。

文献《无人帆船避障系统研究》提出一种基于A*的风能驱动机器人局部路径规划方法。基于传感器检测到的障碍物位置信息，在规划时考虑风能驱动机器人周围的障碍物信息、风场信息和帆船航行特性进行了基于A*的风能驱动机器人避碰规划，能够规划出风能驱动机器人的局部路径。该文献提出的基于A*的局部路径规划算法在对规划路径的进行实时刷新判断时并未对风场变化程度、路径偏离程度和航行时间等因素做出综合考虑，在实船测试时艏向出现了较大波动，对时变风场的适应性较弱。

文献《带风场约束的无人帆船路径规划研究》针对风能驱动机器人局部路径规划问题，提出了一种切向选择人工势场法。根据风能驱动机器人逆风禁航区概念完成逆风风力势场设计，在切向选择人工势场法中，风能驱动机器人可以选择较优切向方向上的切点作为局部路径规划过程中的临时目标点,同时也可以有效避免陷入局部极小点的航行状态。该文献仅在仿真实验中对定常风速下不同风向的仿真情况进行了对比分析，并未考虑实际航行状态下的时变风场情况，也未进行相关的仿真实验。

由于风能驱动机器人不具有沿任意方向航行的能力，可航行区域与环境中的风信息密切相关，以上风能驱动机器人局部路径规划方法，结合风能驱动机器人的航行特点，考虑航行禁区和障碍物的影响进行了风能驱动机器人的局部路径规划，但都假设航行过程中风速风向恒定，这与实际航行状况不符合。因此，综合分析变化风速风向对帆船航行策略的影响，考虑风能驱动机器人的航行特点和障碍物约束，基于传感器探测的环境信息开展风能驱动机器人局部路径规划尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有风能驱动机器人如何在时变风场中航行，避开未知障碍物的问题，而提出时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法及系统。

时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法具体过程为：

步骤一：采用指数滑动平均法对气象站采集到的海风信息进行数据拟合，得到处理后的数据，基于处理后的数据建立禁航区直方图；

逆风航行时，实时计算风能驱动机器人距离换舷点的位置，建立逆风换舷直方图；

步骤二：障碍物探测传感器探测风能驱动机器人周围的障碍物，当探测到障碍物时建立障碍物直方图；

当风能驱动机器人避障时，考虑风能驱动机器人的航行约束，生成障碍物航行约束直方图；

步骤三：将禁航区直方图、逆风换舷直方图和障碍物直方图叠加得到合直方图，剔除不可航行方向，结合风能驱动机器人航速，根据风能驱动机器人航行方向寻优公式解算风能驱动机器人最佳航行方向，完成风能驱动机器人的局部路径规划。

时变风场下风能驱动机器人局部路径规划系统包括：禁航区直方图模块、逆风换舷直方图模块、障碍物直方图模块、障碍物航行约束直方图模块、局部路径规划模块。

本发明的有益效果为：

本发明时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法与系统，解决了风能驱动机器人如何在时变风场中航行，避开未知障碍物的问题，属于海洋机器人技术领域。本发明包括：采用指数滑动平均法对气象站采集到的海风信息进行数据拟合并进行分段处理，并建立禁航区和逆风换舷直方图；根据传感器探测到的障碍物信息构建障碍物直方图，并考虑风能驱动机器人的主尺度和安全距离，构建障碍物航行约束直方图；对三种类型的直方图进行叠加，并依据风能驱动机器人最优航向评价函数，完成风能驱动机器人局部路径规划设计，得到风能驱动机器人最优路径。本发明保障风能驱动机器人在时变风场中安全航行，为风能驱动机器人海上作业提供技术支持。

本发明根据气象站和传感器获取当前时刻环境信息和未知障碍物信息，建立障碍物航行约束直方图、禁航区直方图和逆风换舷直方图，对三者进行叠加并剔除不可航向方向，根据最优航行方向代价函数完成时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法与系统设计，采用该方法完成风能驱动机器人在时变风场中的局部路径规划，有效避开障碍物，安全通过未知海域。

附图说明

图1为风能驱动机器人局部路径规划流程图；

图2为逆风换舷示意图，Wind为风向，startpoint为起始点，goal point为目标点，T为逆风换舷点；

图3为逆风航禁区直方图；

图4为逆风换舷直方图；

图5为障碍物航行约束直方图；

图6为真实风向数据逆风情况下风能驱动机器人局部避碰的仿真实验图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式时变风场下风能驱动机器人局部路径规划方法具体过程为：

步骤一：采用指数滑动平均法对气象站采集到的海风信息进行数据拟合，得到处理后的数据，基于处理后的数据建立禁航区直方图；

逆风航行时，实时计算风能驱动机器人距离换舷点的位置，建立逆风换舷直方图；

步骤二：障碍物探测传感器探测风能驱动机器人周围的障碍物，当探测到障碍物时建立障碍物直方图；

当风能驱动机器人避障时，考虑风能驱动机器人的航行约束，当影响风能驱动机器人转向时，生成障碍物航行约束直方图；

步骤三：将禁航区直方图、逆风换舷直方图和障碍物直方图叠加得到合直方图(公式2对应一个图，公式3对应一个图，公式4对应一个图，共3个直方图，3个直方图进行叠加)，剔除不可航行方向，结合风能驱动机器人航速，根据风能驱动机器人航行方向寻优公式解算风能驱动机器人最佳航行方向，完成风能驱动机器人的局部路径规划。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中采用指数滑动平均法对气象站采集到的海风信息进行数据拟合，得到处理后的数据，基于处理后的数据建立禁航区直方图；

逆风航行时，实时计算风能驱动机器人距离换舷点的位置，建立逆风换舷直方图；

具体过程为：

步骤一一：气象站采集海风信息；海风信息为真实风向和真实风速；

通过北斗一体机、组合导航得到风能驱动机器人位姿信息(速度、加速度、航向)；

步骤一二：采用指数滑动平均法对气象站采集到的海风信息进行数据拟合：

式中，

θ

m为数据窗口进行指数滑动平均的时序数据数量；β

在风能驱动机器人速度极曲线图中查找

风能驱动机器人可航行方向个数为360°/5°＝72个，如有20个航行方向不可航行，则剩52个航行方向可航行。

步骤一三：基于处理后的数据建立禁航区直方图；

步骤一四：逆风航行时，实时计算风能驱动机器人距离换舷点的位置，建立逆风换舷直方图。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一三中基于处理后的数据建立禁航区直方图；具体过程为：

首先以风能驱动机器人的当前位置为中心，将风能驱动机器人上传感器的探测范围进行分区，分区数目n与直方图分辨率σ满足n＝360/σ，以笛卡尔直角坐标系x轴方向的平行线为起止线(笛卡尔直角坐标系x轴方向指向正东方向)，逆时针方向对所有扇区进行编号(σ＝5时，n＝360/σ＝360/5＝72，72个扇区编号)；

禁航区直方图函数表达式为：

式中，angle

WindValue

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤一四中逆风航行时，实时计算风能驱动机器人距离换舷点的位置，建立逆风换舷直方图；具体过程为：

所述逆风换舷点确定过程为：

以目标点方向为Y轴，垂直Y轴方向为X轴，选取风能驱动机器人航速在Y轴方向的投影的最大值，过目标点向最大值对应的航速的航向做垂线，垂足定义为逆风换舷点T位置；

通过目标点位置，风能驱动机器人当前位置，风能驱动机器人航向和风向等信息，可以求得换舷点的位置T，换舷距离为Dl以及当前无人风能驱动机器人横移距离d。

解释：以AB为端点连线，选取最大投影航速的对应的航向方向做延长线，过B点做直线，垂足相交于点C。

D点是以BC为端点连线，选取最大投影航速的对应的航向方向做延长线，过B点做直线，垂足相交于点D。

逆风换舷直方图函数表达式：

式中，Dl为当前风能驱动机器人距逆风换舷点T的距离；d为当前风能驱动机器人距离目标点到起始点连线的横移距离；

DistanceValue

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤二中障碍物探测传感器探测风能驱动机器人周围的障碍物，当探测到障碍物时建立障碍物直方图；

当风能驱动机器人避障时，考虑风能驱动机器人的航行约束，当影响风能驱动机器人转向时，生成障碍物航行约束直方图；

具体过程为：

以D作为传感器探测障碍物距离，计算风能驱动机器人周围范围内栅格里障碍物信息；

障碍物直方图函数ObsValue

式中，(x

β

h

ObsValue

当风能驱动机器人避障时，考虑风能驱动机器人的航行约束，当影响风能驱动机器人转向时，生成障碍物航行约束直方图；具体过程为：

设置当前航速下风能驱动机器人进行转弯的安全半径，安全半径的大小与风能驱动机器人当前的航速、航向、风力状况等因素相关。

若风能驱动机器人的转弯轨迹与障碍物所在区域存在交点，则禁止将障碍物与转弯轨迹相接触的扇形区域设置为禁航区；

S1.计算转弯轨迹的圆心：

式中，(x

S2.求解第k个扇区内的障碍物与左右转弯轨迹的圆心的距离：

式中，d

S3.判断条件：

当d

当d

当d

当d

其他步骤及参数与具体实施方式一至四至一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤三中将禁航区直方图、逆风换舷直方图和障碍物直方图叠加得到合直方图(公式2对应一个图，公式3对应一个图，公式4对应一个图，共3个直方图，3个直方图进行叠加)，剔除不可航行方向，结合风能驱动机器人航速，根据风能驱动机器人航行方向寻优公式解算风能驱动机器人最佳航行方向，完成风能驱动机器人的局部路径规划；具体过程为：

风能驱动机器人航行方向代价函数为：

式中，(x

取F

根据传感器采集数据的节拍，设定合直方图的更新频次，

风能驱动机器人航行到达下一时刻位置时，判断风能驱动机器人是否到达目标点；

若风能驱动机器人到达目标点，则完成风能驱动机器人的局部路径规划；

若风能驱动机器人未到达目标点，则根据海风信息和障碍物信息，更新合直方图，解算风能驱动机器人下一时刻位置(新的航行方向)，直至风能驱动机器人到达目标点，完成风能驱动机器人的局部路径规划。

其他步骤及参数与具体实施方式一至五至一相同。

本发明结合气象站和传感器获取的当前时刻环境信息和未知障碍物信息，解决未知环境下风能驱动机器人的局部路径规划问题，对搜集到的环境信息进行预处理，构建直方图，结合风能驱动机器人的位置、航速、艏向信息，搜索出一条安全、可行的路径用于风能驱动机器人在未知环境下的航行，确保风能驱动机器人的安全性。

具体实施方式七：本实施方式时变风场下风能驱动机器人局部路径规划系统包括：禁航区直方图模块、逆风换舷直方图模块、障碍物直方图模块、障碍物航行约束直方图模块、局部路径规划模块。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述禁航区直方图模块用于采用指数滑动平均法对气象站采集到的海风信息进行数据拟合，得到处理后的数据，基于处理后的数据建立禁航区直方图；

所述逆风换舷直方图模块用于逆风航行时，实时计算风能驱动机器人距离换舷点的位置，建立逆风换舷直方图；

所述障碍物直方图模块用于障碍物探测传感器探测到障碍物时建立障碍物直方图；

所述障碍物航行约束直方图模块用于当风能驱动机器人避障时，考虑风能驱动机器人的航行约束，当影响风能驱动机器人转向时，生成障碍物航行约束直方图；

所述局部路径规划模块用于将直方图叠加得到合直方图，剔除不可航行方向，结合风能驱动机器人航速，根据风能驱动机器人航行方向寻优公式解算风能驱动机器人最佳航行方向，完成风能驱动机器人的局部路径规划；

基于环境信息完成风能驱动机器人局部路径规划任务，避开障碍物，安全航行向智能控制模块发送期望位置信息；

根据局部路径模块输送的信息，完成风能驱动机器人帆角和舵角控制，保证风能驱动机器人的航向稳定性；

通过北斗一体机、组合导航得到风能驱动机器人位姿信息；

风能驱动机器人操纵船舵和风帆，进行舵角和帆角改变，完成航行。

其他步骤及参数与具体实施方式七相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

设置风能驱动机器人起点为[0，10]，使用菱形表示，终点为[0，200]，使用五角星表示，航行路径上设置三个圆形障碍物，障碍物的圆心坐标和半径分别为[-5，100，8]，[-55，130，8]，[18，140，14]，将真实风数据作为输入，采用指数滑动平均方法对真实的风速风向的做处理，当处理后的风速风向数据发生改变时，在风能驱动机器人航行的当前位置标注当前风速风向状况，使用黑色箭头表示方向，箭头长度表示大小。采用真实风向数据逆风情况下，基于局部路径规划算法的风能驱动机器人局部避碰轨迹如图6所示，X为笛卡尔直角坐标系X轴方向，X轴方向指向正东方向，Y轴垂直X轴。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。