基于人工势场法的船舶路径规划方法、装置和存储介质

技术领域

本发明涉及水运交通技术领域，尤其是一种基于人工势场法的船舶路径规划方法、装置 和存储介质。

背景技术

在水运交通领域，由于单船作业能力有限，因此通常以多船编队的方式作业，以提高作 业效率和作业能力。但是多船编队的方式又引入了多个船舶的路径规划、对内船舶相互碰撞 以及船舶与障碍物碰撞等因素，这些因素之间相互交织，使得多船编队的船舶路径规划变得 复杂，现有技术中缺少同时考虑上述因素的多船编队的船舶路径规划技术。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于人工势场法的船舶路径规 划方法、装置和存储介质。

一方面，本发明实施例包括一种基于人工势场法的船舶路径规划方法，用于对由多个船 舶组成的船舶集群进行路径规划，基于人工势场法的船舶路径规划方法包括：

获取船舶的行驶路径以及所述行驶路径上的多个有序的航路点；

依序进行至少一次局部路径航行，直至所述船舶集群的集群中心的位置与所述行驶路径 终点之间的距离小于预设阈值；在所述局部路径航行中，根据所述船舶集群的集群中心的当 前位置在多个所述航路点中选择出一个目标航路点，建立所述船舶集群中的每一船舶的人工 势场，根据各所述人工势场执行局部路径规划，获得每一船舶各自对应的局部路径，根据每 一船舶各自对应的局部路径行驶后的所在位置，更新所述船舶集群的集群中心的位置。

进一步地，所述获取船舶的行驶路径以及所述行驶路径上的多个有序的航路点，包括：

在静态地图上进行全局路径规划，获得所述行驶路径；

按照固定距离差或者固定坐标差，在所述行驶路径上选取各所述航路点。

进一步地，所述全局路径规划为人工势场法、A*算法或RRT算法。

进一步地，所述根据所述船舶集群的集群中心的当前位置在多个所述航路点中选择出一 个目标航路点，包括：

从多个所述航路点中确定第一航路点和第二航路点；其中，所述第一航路点和第二航路 点是距离所述集群中心的当前位置最近的两个相邻航路点，所述第二航路点在所述第一航路 点之后；

从所述集群中心的当前位置向所述第一航路点和第二航路点的连线作垂线；

当所述垂线的垂足位于所述第一航路点与第二航路点之间或者所述所述第一航路点上， 以所述第二航路点作为所述目标航路点；

当所述垂线的垂足位于所述第一航路点和第二航路点的连线的反向延长线上，以所述第 一航路点作为所述目标航路点；

当所述垂线的垂足位于所述第一航路点和第二航路点的连线的正向延长线上或者所述所 述第二航路点上，以第三航路点作为所述目标航路点；所述第三航路点是在所述第二航路点 之后且与所述第二航路点相邻的航路点。

进一步地，所述建立所述船舶集群中的每一船舶的人工势场，包括：

建立每一船舶的人工势场函数；所述人工势场函数由集群势场、船间排斥力势场和障碍 物排斥力势场确定；所述集群势场用于约束所述船舶集群中的船舶向所述目标航路点靠近并 与所述目标航路点保持距离，所述船间排斥力势场用于约束所述船舶集群中的船舶之间保持 安全距离，所述障碍物排斥力势场用于约束所述船舶集群中的船舶与障碍物保持安全距离。

进一步地，所述人工势场函数为

进一步地，

其中，k

其中，

其中

进一步地，所述船舶集群的集群中心为所述船舶集群中所有船舶位置分布的几何中心。

另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用 于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的基于人工势 场法的船舶路径规划方法。

另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述 处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的基于人工势场法的船舶路径规划 方法。

本发明的有益效果是：实施例中的基于人工势场法的船舶路径规划方法，能够使得船舶 集群形成一个灵活的船舶队形，既能保持船舶集群整体的行驶统一协调，具有良好的实时性， 避免船舶之间以及船舶与障碍物的碰撞，而且船舶集群内的每个船舶都保留了较高的灵活性 和自主性，从而可以降低对各船舶操作统一性的要求，避免因此而设置更多硬件或软件系统 而导致的高成本。

附图说明

图1为实施例中鼻梁条用料情况检测系统的结构图；

图2为实施例中基于人工势场法的船舶路径规划方法的流程图；

图3为实施例中目标航路点选取规则的原理图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1，基于人工势场法的船舶路径规划方法包括以下步骤：

S1.获取船舶的行驶路径以及行驶路径上的多个有序的航路点；

S2.依序进行至少一次局部路径航行，直至船舶集群的集群中心的位置与行驶路径终点之 间的距离小于预设阈值。

执行步骤S1时，船舶编队形成一个船舶集群，集群内有m条船舶V

在船舶编队航行区域的静态地图上进行全局路径规划，具体地，通过人工势场法、A*算 法或RRT算法等算法进行全局路径规划，确定行驶路径及其起点和终点。从行驶路径的起点 开始，每隔一个固定距离选取一个航路点，或者每隔一个固定的经度差或者纬度差选取一个 航路点，从而在行驶路径上选取出一系列有序的航路点WP

步骤S2中，执行至少一次局部路径航行，每次局部路径航行过程中都通过局部路径规划 获得该次局部路径航行的局部路径，每一船舶按照对应的局部路径行驶，使得每一船舶的位 置发生变化，相应地，船舶集群的集群中心的位置也发生变化，从而实现船舶集群的集群中 心的位置的更新，在执行完该次局部路径航行后，判断船舶集群是否已完成在行驶路径上的 行驶，即更新后的船舶集群的集群中心的位置是否已到达行驶路径终点，或者船舶集群的集 群中心的位置与行驶路径终点之间的距离小于预设阈值，如果是，则结束，如果不是，那么 执行下一次局部路径航行。

由于每一次局部路径航行的原理相似，因此可以对其中一次局部路径航行的原理进行说 明。

参照图1，在其中一次局部路径航行中，根据船舶集群的集群中心的当前位置在多个航 路点中选择出一个目标航路点。本实施例中，船舶集群的集群中心为船舶集群中所有船舶位 置分布的几何中心，即集群中心CP的坐标为

具体地，参照图2，根据船舶集群的集群中心CP的当前位置，从多个航路点中确定与集 群中心CP距离最接近的第一航路点WP

(1)如果垂线的垂足位于第一航路点WP

(2)如果垂线的垂足位于第一航路点WP

(3)如果垂线的垂足位于第一航路点WP

以上(1)-(3)所确定的目标航路点选取规则的原理如图3所示。通过以上(1)-(3)所确定的目标航路点选取规则，能够使得船舶集群沿着与行驶路径的切线尽量接近的方向前 进，从而使得船舶集群的实际行驶轨迹更贴近行驶路径的轨迹。

在确定本次局部路径航行中的目标航路点之后，建立船舶集群中的每一船舶的人工势场。 对于船舶集群中第i个船舶V

其中，k

其中，

其中

上述式中，集群势场的意义是：吸引船舶集群中的船舶向目标航路点WP

在确定船舶集群内每一船舶的人工势场后，分别对每一人工势场执行局部路径规划，从 而获得每一船舶各自对应的局部路径，具体地，由于船舶集群中一共有m个船舶，因此一共 获得m个局部路径。控制每个船舶按照各自对应的局部路径行驶，每个船舶的位置发生变化， 因此船舶集群的集群中心的位置也发生变化，从而更新船舶集群的集群中心的位置。

本实施例中的基于人工势场法的船舶路径规划方法，能够使得船舶集群形成一个灵活的 船舶队形，既能保持船舶集群整体的行驶统一协调，具有良好的实时性，避免船舶之间以及 船舶与障碍物的碰撞，而且船舶集群内的每个船舶都保留了较高的灵活性和自主性，从而可 以降低对各船舶操作统一性的要求，避免因此而设置更多硬件或软件系统而导致的高成本。

可以通过编写执行本实施例中的基于人工势场法的船舶路径规划方法的计算机程序，将 该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本 实施例中的基于人工势场法的船舶路径规划方法。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数 形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技 术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元 件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公 开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元 件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意 图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在 非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术- 包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置 的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附 图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若 需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。 此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示 或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有 可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器 上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或 其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不 限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计 算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非 暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如 硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存 储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机 器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他 数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类 型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括 计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成 存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。 在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和 有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以 相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/ 或实施方式可以有各种不同的修改和变化。