技术特征：
1.一种艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于，包括步骤：步骤1、根据无人艇安全航迹结束点和恢复点，初始化无人艇局部避障航路的搜索树；步骤2、在航路空间中搜索新的位置点；步骤3、判断无人艇运动到新的位置点是否符合艇的动力学要求；步骤4、检测航路是否穿过障碍物；步骤5、判断是否已到达安全航迹恢复点；步骤6、根据无人艇的航行能力对搜索树进行剪枝处理。2.根据权利要求1所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于：所述步骤1中根据无人艇安全航迹结束点和恢复点，初始化无人艇局部避障航路的搜索树，具体为：定义：无人艇全局规划航路上安全航迹结束点pt
begin
＝(x
begin
,y
begin
)，安全航迹恢复点pt
end
＝(x
end
,y
end
)，其中pt
begin
和pt
end
即为局部避障规划的起点和终点，障碍物列表为obstacle＝{ob
i
},且0<i≤n，其中为正整数域，n为正整数，ob
i
＝[obx
i
,oby
i
,obr
i
]，obx
i
为障碍物i的形心x坐标，oby
i
为障碍物i的形心y坐标，obr
i
为障碍物i的外接圆半径；初始化以pt
begin
为根节点的搜索树：置tree
avoid
＝{pt
begin
}，以及tree
avoid
生长点pt
grow
为pt
begin
。3.根据权利要求2所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于：所述步骤2中在航路空间中搜索新的位置点，具体为：步骤2-1，根据pt
begin
和pt
end
之间的距离，设置初始搜索步长ls
org
，计算公式为：其中α为先验常数；步骤2-2，在航行区域内随机生成一个点pt
random
；步骤2-3，计算tree
avoid
中距离pt
random
最近的点pt
near
，即使得为最小，对于步骤2-4，计算离pt
near
最近障碍物的距离dm
grow
：步骤2-5，计算动态搜索步长ls
now
：其中μ、γ为先验常数；步骤2-6，以pt
near
为父节点，向pt
random
延伸ls
now
，得到新的位置点pt
new
＝[x
new
,y
new
]，]，4.根据权利要求3所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于：所
述步骤2中判断无人艇运动到新的位置点是否符合艇的动力学要求，具体为：步骤3-1，从搜索树tree
avoid
中查找到pt
near
的父节点pt
father
；步骤3-2，采用三角公式计算得到线段pt
father
pt
near
与线段pt
near
pt
new
之间的夹角θ
turn
；步骤3-3，若π-θ
turn
<τ，则符合艇的动力学要求，转到步骤4；否则为不符合，转到步骤2-2；其中τ为无人艇在当前航速下的最大转向角。5.根据权利要求4所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于：所述步骤4中检测航路是否穿过障碍物，具体为：步骤4-1，对于记obcenter
i
＝[obx
i
,oby
i
]为障碍物i形心；步骤4-2，采用三角公式计算得线段pt
near
pt
new
与线段pt
near
obcenter
i
之间的夹角θ
target
；步骤4-3，采用三角公式计算得pt
near
到ob
i
外接圆切线与线段pt
near
obcenter
i
之间夹角θ
circle
；步骤4-5，若θ
target
<θ
circle
，则可以判断pt
new
与pt
near
之间连线穿过障碍物，转到步骤2-2；步骤4-6，直到对obstacle中所有ob
i
，pt
new
与pt
near
之间连线都不穿过障碍物，则将pt
new
加入到搜索树tree
avoid
中，将pt
near
作为pt
new
的父节点。6.根据权利要求1所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于：所述步骤5中判断是否已到达安全航迹恢复点，具体为：计算pt
new
与pt
end
距离，若距离小于预设值d
min
，则判断与pt
end
相遇，则将pt
end
加入到搜索树tree
avoid
中，把pt
new
作为pt
end
的父节点，进入下一步；否则转到步骤2-2。7.根据权利要求1所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法，其特征在于：所述步骤6中根据无人艇的航行能力对搜索树tree
avoid
进行剪枝处理，具体为：步骤6-1，将pt
begin
置为pt
pre
；步骤6-2，把pt
pre
的子节点置为pt
prune
，从tree
avoid
中获取pt
prune
的子节点pt
aft
，pt
aft
的子节点pt
ac
，以及pt
ac
的子节点pt
bc
；步骤6-3，判断线段pt
pre
pt
aft
与线段pt
aft
pt
ac
是否满足艇的动力学要求；若满足执行步骤6-4，否则，将pt
prune
置为pt
pre
，转入步骤6-7；步骤6-4，判断线段pt
aft
pt
ace
与线段pt
ac
pt
bc
是否满足艇的动力学要求，若满足，执行步骤6-5，否则转入步骤6-7；步骤6-5，检测pt
pre
与pt
aft
之间连线是否穿过障碍物，若穿过障碍物转入步骤6-7；否则执行步骤6-6；步骤6-6，将pt
prune
从搜索树tree
avoid
中移除，将pt
pre
作为pt
aft
的父节点，将pt
aft
置为pt
prune
；步骤6-7，重复步骤6-2和步骤6-3，直到pt
prune
为pt
end
的父节点；步骤6-8，将tree
avoid
输出作为局部避障规划航路点序列。8.一种艇运动学约束下的无人艇局部避障规划系统，其特征在于，包括初始化单元、搜索单元、动力学要求判断单元、障碍物判断单元、到达恢复点判断单元和剪枝处理单元，其中：所述初始化单元根据无人艇安全航迹结束点和恢复点，初始化无人艇局部避障航路的搜索树；
所述搜索单元用于在航路空间中搜索新的位置点所述动力学要求判断单元用于判断无人艇运动到新的位置点是否符合艇的动力学要求；所述障碍物判断单元用于检测航路是否穿过障碍物；所述到达恢复点判断单元用于判断是否已到达安全航迹恢复点；所述剪枝处理单元用于根据无人艇的航行能力对搜索树进行剪枝处理。9.一种艇运动学约束下的无人艇局部避障规划设备，其特征在于，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法的步骤。10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有可执行程序，所述可执行程序被处理器执行实现权利要求1-7任一项所述的艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法的步骤。
技术总结
本发明公开了一种艇运动学约束下的无人艇局部避障规划方法、系统、设备及介质，包括步骤：根据无人艇安全航迹结束点和恢复点，初始化无人艇局部避障航路的搜索树；在航路空间中搜索新的位置点；判断无人艇运动到新的位置点是否符合艇的动力学要求；检测航路是否穿过障碍物；判断是否已到达安全航迹恢复点；根据无人艇的航行能力，为了保障航行的平滑性，对搜索树进行剪枝处理。该发明针对无人艇自主航行所需具备的局部避障规划能力需求，在机器人RRT算法的基础上，通过加强以无人艇运动学要求为约束条件的判断，以及保障航行平滑性的剪枝处理，实现满足无人艇实时避障要求的局部优化航路，保障无人艇安全平稳航行。保障无人艇安全平稳航行。保障无人艇安全平稳航行。
技术研发人员：蔡庆 孙世平 阴启玉 李锋 孔维玮
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一六研究所
技术研发日：2022.11.04
技术公布日：2023/1/30