一种深远海渔资运输船路径优化方法

技术领域

本发明属于海洋运输技术领域，具体涉及一种深远海渔资运输船路径优化方法。

背景技术

近年来，我国深海养殖业快速发展，网箱、工船等大型养殖装备在处于远离陆地的深远海海域，运输距离较远，海况较为复杂，现有的深海养殖渔资调配多依赖经验判断，缺乏对多种因素的考虑，导致海上物资补给及调配成本较高、效率较低。

发明内容

为解决上述问题，基于改进的路径规划及PID控制算法，实现渔资的优化调度和航线的科学规划，降低船舶运输成本、提高渔资调配效率。技术方案为，

一种深远海渔资运输船路径优化方法，包括以下步骤：

S1.建立深海养殖渔资运输船数学模型，用于深海养殖运输船控制量的设计；

S2.基于PID输出深海养殖渔资运输船控制量参数，实现运输船航向、航速调节；

S3.通过路径规划算法获得每一步的期望位置，并根据运输船航向及姿态误差，优化运输船下一目标节点；

S4.反向追溯终点至起点路径，获得运输船最优路线。

优选的，建立深海养殖渔资运输船数学模型表示为：

其中，η＝[pqψ]

式中，m为运输船的质量，x

优选的，设运输船期望位置及姿态为η

水平位置跟踪误差为：

η

艏摇角度跟踪误差为：

ψ

令跟踪控制律为：

v

设计深海养殖运输船控制量τ为：

τ＝-M(k

其中，k

优选的，将待规划区域划分栅格，包括可通行区域、障碍物、起点和终点位置，找出每一步的期望位置，定义估价函数f(n)：

其中，g(n)是从起始节点到节点n的路径成本；h(n)是从节点n到目标节点的最便宜路径的估计成本；Q为当前节点到目标节点的距离；L为起始节点到目标节点的距离，ω为权重，

其中，(n

其中，

优选的，当前节点至目标节点的距离及运输船航行状态更加敏感，且可实现路径搜索过程中估价函数的动态变化。

优选的，根据运输船航向及姿态误差，优化运输船下一目标节点，具体步骤如下：

S31.创建一个空的开放列表，用于存储待探索的栅格节点；为每个栅格节点初始化代价值：g(n)和f(n)，其中起始节点g(n)＝0；将起点添加到开放列表中；

S32.选择开放列表中具有最小总代价的节点作为当前节点，如果邻居节点是障碍物或在关闭列表中，则忽略此节点；

S33.计算邻居节点的g(n)和f(n)：

如果邻居节点不在开放列表中，将其添加到开放列表，并更新父节点、g(n)和f(n)；

如果邻居节点已在开放列表中，并且新计算的代价值更小，则更新父节点、g(n)和f(n)；

如果当前节点是终点，则搜索结束，成功找到路径；否则，继续以下步骤S34；

S34.遍历当前节点的邻居节点，重复步骤S32-S33；

S35.将当前节点从开放列表移至关闭列表。

一种深远海渔资运输船路径优化系统，包括数据采集模块、PID控制模块和路径规划模块；其中，

数据采集模块用于建立深海养殖渔资运输船数学模型，实现深海养殖运输船控制量的设计；

PID控制模块接受控制量采集数据，并进行运算，输出深海养殖渔资运输船控制量参数，实现运输船航向、航速调节；

路径规划模块通过路径规划算法获得每一步的期望位置，并根据运输船航向及姿态误差，优化运输船下一目标节点；并反向追溯终点至起点路径，获得运输船最优路线。

与现有技术相比，本申请有益效果如下：

为了进一步研究解决上述问题，本发明提供了一种深海养殖渔资调配方法，本发明基于PID控制算法设计深海养殖渔资运输船控制量，再通过路径规划算法获得运输船航行的最优航线，并根据运输船航向及姿态误差，实时优化运输船航线。该方法可实现渔资运输船航线的科学规划，降低船舶运输成本、提高渔资调配效率。

附图说明

图1为本申请流程图；

图2为深海养殖运输船的航行路线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种深远海渔资运输船路径优化方法，包括以下步骤：

S1.建立深海养殖渔资运输船数学模型，用于深海养殖运输船控制量的设计；建立深海养殖渔资运输船数学模型表示为：

其中，η＝[p q ψ]

式中，m为运输船的质量，x

S2.基于PID输出深海养殖渔资运输船控制量参数，实现运输船航向、航速调节；

设运输船期望位置及姿态为η

水平位置跟踪误差为：

η

艏摇角度跟踪误差为：

ψ

令跟踪控制律为：

v

设计深海养殖运输船控制量τ为：

τ＝-M(k

其中，k

S3.通过路径规划算法获得每一步的期望位置，并根据运输船航向及姿态误差，优化运输船下一目标节点；

当前节点至目标节点的距离及运输船航行状态更加敏感，且可实现路径搜索过程中估价函数的动态变化。

S31.创建一个空的开放列表，用于存储待探索的栅格节点；为每个栅格节点初始化代价值：g(n)和f(n)，其中起始节点g(n)＝0；将起点添加到开放列表中；

S32.选择开放列表中具有最小总代价的节点作为当前节点，如果邻居节点是障碍物或在关闭列表中，则忽略此节点；

S33.计算邻居节点的g(n)和f(n)：

如果邻居节点不在开放列表中，将其添加到开放列表，并更新父节点、g(n)和f(n)；

如果邻居节点已在开放列表中，并且新计算的代价值更小，则更新父节点、g(n)和f(n)；

如果当前节点是终点，则搜索结束，成功找到路径；否则，继续以下步骤S34；

S34.遍历当前节点的邻居节点，重复步骤S32-S33；

S35.将当前节点从开放列表移至关闭列表。

将待规划区域划分栅格，包括可通行区域、障碍物、起点和终点位置，找出每一步的期望位置，定义估价函数f(n)：

其中，g(n)是从起始节点到节点n的路径成本；h(n)是从节点n到目标节点的最便宜路径的估计成本；Q为当前节点到目标节点的距离；L为起始节点到目标节点的距离，ω为权重，

其中，(n

其中，

S4.反向追溯终点至起点路径，获得运输船最优路线。

一种深远海渔资运输船路径优化系统，包括数据采集模块、PID控制模块和路径规划模块；其中，

数据采集模块用于建立深海养殖渔资运输船数学模型，实现深海养殖运输船控制量的设计；

PID控制模块接受控制量采集数据，并进行运算，输出深海养殖渔资运输船控制量参数，实现运输船航向、航速调节；

路径规划模块通过路径规划算法获得每一步的期望位置，并根据运输船航向及姿态误差，优化运输船下一目标节点；并反向追溯终点至起点路径，获得运输船最优路线。

进行仿真实验，利用本发明渔资调配方法，可以实现良好的路径规划与控制效果。深海养殖渔资运输船相关参数如下表1所示：

表1深海养殖渔资运输船相关参数表

根据经验公式估算可得式(1)中的参数矩阵为：

设置深海养殖渔资运输船的起始位置为η＝[2 3 5]

图2可以看出，深海养殖渔资运输船能够选择最优航线，从起始位置A到达目标位置B，同时能够绕过障碍物。本发明有助于科学规划渔资运输船的航线，从而降低船舶的运输成本，提高渔资的调配效率。