本發明涉及海洋路徑規劃的，具體涉及一種海洋路徑智能規劃系統及其控制方法。
背景技術：
1、在現有的無人船舶作業任務中，其海洋路徑規劃通常分為作業區域覆蓋規劃和點對點航行規劃。傳統的實現方式通常采用單體式軟件架構，將海圖數據加載、路徑搜索算法和航行控制邏輯通過強耦合的方式集成在同一進程中。
2、在進行作業區域覆蓋規劃時，由地面站或上位機下發由多個經緯度坐標點組成的多邊形區域，無人船舶內部的控制模塊直接基于該多邊形區域生成往返式掃描路徑。
3、在進行點對點航行規劃時，通?；陬A先加載的靜態海圖數據，利用傳統的a星算法或dijkstra算法尋找最短幾何路徑。
4、上述現有技術方案在實際海洋應用中普遍存在作業區域適應性差、路徑規劃缺乏運動學可行性、內存資源消耗大且效率低、架構耦合度高等顯著缺陷。
5、基于此，亟需提供一種新的方案，以解決上述現有技術中存在的缺陷與不足。
技術實現思路
1、為了解決上述現有技術中存在的缺陷與不足，本發明提供了一種海洋路徑智能規劃系統及其控制方法。
2、本發明提供的具體方案為：
3、一種海洋路徑智能規劃系統，其特征在于：所述系統包括相互連接的航路規劃模塊和服務接口模塊，其中：
4、所述航路規劃模塊包括海圖數據預處理單元、路徑搜索單元及多階段路徑平滑優化單元；
5、所述海圖數據預處理單元動態劃定關注區域，在關注區域內讀取電子海圖數據，解析靜態障礙物并生成局部柵格化地圖；
6、所述路徑搜索單元通過為搜索節點定義三維狀態空間，并在定義的三維狀態空間確定有效擴展路徑，再根據影響因素對有效擴展路徑增加代價值，以形成初步搜索路徑；
7、所述多階段路徑平滑優化單元對初步搜索路徑進行優化以形成最終搜索路徑；
8、所述服務接口模塊為航路規劃模塊提供服務接口。
9、作為本發明的進一步優選實施方式，所述海圖數據預處理單元根據航路起點、終點及任務區域的地理范圍動態劃定局部關注區域，且僅在該局部關注區域范圍內讀取電子海圖數據，解析靜態障礙物并生成局部柵格化地圖。
10、作為本發明的進一步優選實施方式，所述路徑搜索單元包括狀態空間定義子單元、節點擴展約束子單元以及代價函數設計子單元；其中，
11、所述狀態空間定義子單元為搜索節點定義三維狀態空間；
12、所述節點擴展約束子單元設置約束條件，以根據約束條件將船舶軌跡確定為有效擴展路徑；
13、所述代價函數設計子單元根據若干影響因素對有效擴展路徑增加代價值，并最終形成初步搜索路徑。
14、作為本發明的進一步優選實施方式，所述狀態空間定義子單元為搜索節點定義三維狀態空間時，將搜索節點在三維狀態空間中的坐標定義為（x，y，θ）；其中，
15、x表示搜索節點在三維狀態空間中當前所在位置的橫坐標；
16、y表示搜索節點在三維狀態空間中當前所在位置的縱坐標；
17、θ表示搜索節點在三維狀態空間中當前所在位置的航向角。
18、作為本發明的進一步優選實施方式，所述節點擴展約束子單元設置的約束條件為：
19、當船舶軌跡的最小轉彎半徑大于預設半徑時，確定當前船舶軌跡為有效擴展路徑；
20、當船舶軌跡的最小轉彎半徑不超過預設半徑時，確定當前船舶軌跡為無效擴展路徑。
21、作為本發明的進一步優選實施方式，所述代價函數設計子單元中對有效擴展路徑增加代價值時需考慮的若干影響因素至少包括有：航程距離、與障礙物的距離、轉向懲罰、海況數據和規則限制；
22、所述代價函數設計子單元根據以下公式計算與有效擴展路徑對應的代價值：
23、j?=?w1c1+w2c2；
24、其中，j為與有效擴展路徑對應的代價值；c1為基礎代價，其至少包括航程距離；c2為懲罰代價，其至少包括與障礙物的距離、轉向懲罰、海況數據和規則限制；w1和w2分別為與基礎代價和懲罰代價對應的權重系數；
25、所述代價函數設計子單元根據若干影響因素對有效擴展路徑增加代價值時，優先對逆流航行路徑以及敏感區穿越路徑增加代價值。
26、作為本發明的進一步優選實施方式，所述多階段路徑平滑優化單元采用los視線優化法對初步搜索路徑進行一次優化：
27、通過los視線優化法對初步搜索路徑進行一次優化包括以下步驟：
28、s1：輸入：初步搜索得到初步搜索路徑中的離散路徑點序列p={p1，p2，...，pn}；
29、s2：視線檢測：
30、s2.1：從當前參考點pstart開始，向目標參考點pk嘗試連線，且滿足k>start+1；
31、s2.2：檢查連線是否與海圖中的靜態障礙物發生碰撞；
32、s3：冗余剔除：
33、s3.1：如果連線未與靜態障礙物發生碰撞而未被阻擋，嘗試繼續連線當前參考點pstart與更遠位置的參考點pk+1；
34、s3.2：如果連線因與靜態障礙物發生碰撞而被阻擋，則保留前一個安全點pk-1作為關鍵路徑點，將當前參考點pstart更新為pk-1，并重復上述過程并收集初步搜索路徑中的全部關鍵路徑點；
35、s4：輸出：將初步搜索路徑中的全部關鍵路徑點組成精簡路徑。
36、作為本發明的進一步優選實施方式，所述多階段路徑平滑優化單元采用三次樣條插值平滑方式對初步搜索路徑進行二次優化；
37、通過三次樣條插值平滑方式對初步搜索路徑進行二次優化包括以下步驟：
38、s1：參數化：將一次優化后獲得的關鍵路徑點序列作為型值點，以時間t作為參數；
39、s2：分段擬合：在每兩個相鄰關鍵路徑點pi和pi+1之間，構造一個三次多項式函數：
40、si(t)=ai+bi(t-ti)+ci(t-ti)2+di(t-ti)3；
41、其中，si(t)為以時間t為參數針對第i個關鍵路徑點建立的三次多項式函數；ai，bi，ci，di為各項系數；
42、s3：約束求解：建立方程組求解系數ai，bi，ci，di，需滿足以下條件：
43、s31：位置約束：建立的方程曲線必須經過所有關鍵路徑點；
44、s32：一階導數連續：在連接點處，速度方向的切線曲率相同；
45、s33：二階導數連續：在連接點處，保證加速度曲率連續；
46、s4：離散化輸出：根據函數si(t)，按固定的時間步長或距離步長重新生成密集的軌跡點，連接所有軌跡點即形成最終搜索路徑。
47、作為本發明的進一步優選實施方式，所述服務接口模塊為航路規劃模塊提供的服務接口至少包括有創建區域接口、獲取列表接口、執行規劃接口及獲取擴展區域接口。
48、進一步地，本發明還提供一種海洋路徑智能規劃系統的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：
49、s100：海圖數據預處理單元動態劃定關注區域，在關注區域內讀取電子海圖數據，解析靜態障礙物并生成局部柵格化地圖；
50、s200：路徑搜索單元通過為搜索節點定義三維狀態空間，并在定義的三維狀態空間確定有效擴展路徑，再根據影響因素對有效擴展路徑增加代價值，以形成初步搜索路徑；
51、s300：多階段路徑平滑優化單元對初步搜索路徑進行優化。
52、相較于現有技術，本發明能夠實現的技術效果包括：
53、1）本發明提供一種海洋路徑智能規劃系統及其控制方法，通過采用動態海域生成機制，摒棄全量海圖加載，根據航路起點、終點及任務區域的地理范圍任務范圍動態生成局部關注區域，再在該局部關注區域范圍內讀取電子海圖數據，一方面可以大幅降低系統對嵌入式硬件的內存需求；另一方面可以提高作業覆蓋的適應性，使得該智能規劃系統能夠無縫對接用戶規劃的任意多邊形作業區，提升了作業效率。
54、2）本發明提供一種海洋路徑智能規劃系統及其控制方法，通過設置約束條件，以根據約束條件將船舶軌跡確定為有效擴展路徑，使得確定的有效擴展路徑能夠嚴格遵守約束條件，避免了傳統算法產生的急轉彎導致的偏航或操縱失控風險；同時為搜索節點定義三維狀態空間時，同步結合搜索節點的當前航向角信息，從根本上保證確定的有效擴展路徑是船舶物理上可執行的，進而增強船舶在海洋航行的安全性與可靠性。
55、3）本發明提供一種海洋路徑智能規劃系統及其控制方法，通過設置多階段路徑平滑優化單元，結合los視線優化法和三次樣條插值平滑方式對初步搜索路徑進行優化，將離散路徑點轉化為曲率連續的平滑軌跡，提升航行穩定性和燃油經濟性；同時路徑平滑處理也可以減少舵機動作頻率，降低航行油耗和機械磨損，進而提升系統運行效率。
56、4）本發明提供一種海洋路徑智能規劃系統及其控制方法，通過設置服務接口模塊為航路規劃模塊提供服務接口，實現了航路規劃模塊的模塊化和解耦，優化了系統集成能力，使得該智能規劃系統可以方便地被不同的上位機系統調用，便于系統的迭代升級和分布式部署。