本技术涉及无人船和路径规划，尤其涉及一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法及系统。
背景技术：
1、无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人。目前，无人船用途多为测绘、水文和水质监测，通过无人船的自动航行采样，可以极大地节省人力资源，提高工作效率。
2、实现无人船自动航行的关键技术在于路径规划，现有无人船在做全局路径规划时，先要获取覆盖航域的栅格地图，在栅格地图上选定起始点与目标点，然后通过搜索算法，最终计算出路程短且符合安全、舒适等要求的航行路径。在这个过程中，小范围的规划能够快速获得航行路径，但是实际应用场景可能涉及大面积河流流域，需要做大量的计算才能获得航行路径；另外，考虑水位的季节变化和潮汐变化，用于路径规划的栅格地图也必须随之更新，这将导致无人船路径规划工作量与工作难度的增加。同时，路径搜索没有利用河流的方向信息，河流的迂回蜿蜒会降低搜索计算效率。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本技术提供一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法及系统，提高无人船路径规划的效率与环境适应性。
2、第一方面，本技术提供一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，包括：
3、获取无人船的当前位置、航行终点以及电子围栏区域，其中，所述电子围栏区域是通过若干条与水流流向垂直的横截线段与水岸线相交，将无人船的航行区域划分为若干个封闭的围栏区域后获得，所述各个横截线段上各自存在一个对应的航行路径点；
4、根据所述各个航行路径点，基于预设的搜索算法，搜索获得从所述当前位置至所述航行终点的若干条航线，其中，所述航线由所述各个航行路径点之间的连线构成，在每条所述航线中所述各个航行路径点最多出现一次；
5、根据预设的评估指标评估所述各个航线，将评分最高的航线作为所述无人船的最终规划航行路线。
6、本技术实施例提供一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，通过获取无人船的当前位置、航行终点以及电子围栏区域，基于电子围栏对无人船的航行路径进行路径规划。其中，电子围栏的每个横截线段上仅存在一个对应的航行路径点，且各个航行路径点在航线中最多出现一次。通过电子围栏的设置，使得在路径搜索过程中不需要基于无人船的位置向四面八方搜索或是启发式的向目标点直线方向重点搜索，而仅需要搜索无人船附近的航行路径点即可。并且由于每个横截线段与水流流向垂直，各个横截线段上的航行路径点所连接构成的航线必然是顺流而下或逆流而上的，使得路径搜索过程中可以有效利用河流的方向信息，进一步减少了路径搜索过程中的计算量以及生成无效路径的数量，提高了路径规划的效率。最后，本技术不仅仅以距离作为航线的评估指标，而是基于预设指标对生成的各个航线进行评估，因此在实际应用中可以根据当地环境、气候以及无人船所执行的任务预设评估指标，进而从各个航线中得到最优航线，提高路径规划的环境适应性。
7、在一种可能实现的方式中，所述通过若干条与水流流向垂直的横截线段与水岸线相交，将无人船的航行区域划分为若干个封闭的围栏区域后获得所述电子围栏区域，包括：
8、确定所述无人船的航行区域的当前水岸线；
9、确定所述无人船的航行区域的障碍物位置；
10、根据预设的间隔距离生成若干条与水流流向垂直的第一横截线段与水岸线相交；
11、从所述各个障碍物位置处生成各自对应的与水流流向垂直的第二横截线段与水岸线相交；
12、根据第一预设值生成所述各个第一横截线段上的第一航行路径点，其中，所述第一预设值为各个第一航行路径点至两边水岸线的距离的比值；
13、根据第二预设值生成所述各个第二横截线段上的第二航行路径点，其中，所述第二预设值为各个第二航行路径点至对应障碍物的最小距离。
14、本技术实施例提供一种电子围栏区域的生成方法，主要在于横截线段的划分与航行路径点的确定，当横截线段全部划分完毕后，电子围栏区域自然就形成了。而横截线段包括第一横截线段与第二横截线段，其中第一横截线段是基于水岸线、水流流向以及预设间隔距离生成的，相当于构建了初始电子围栏区域。而本技术进一步考虑了路径规划中存在障碍物的问题，现有无人船航行技术中，对于障碍物的处理一般是通过无人船身的探测雷达自动避障，然而若障碍物较大，会导致无人船大幅度偏离原本的规划路径，甚至无法到达目标地点。因此本技术在路径规划中就提前考虑障碍物的避让，从各个障碍物位置处生成各自对应的第二横截线段，通过在第二横截线段上设置远离障碍物的航行路径点，实现提前对固定障碍物进行规避，提高路径规划的环境适应性以及无人船的航行安全性。
15、在一种可能实现的方式中，所述根据所述各个航行路径点，基于预设的搜索算法，搜索获得从所述当前位置至所述航行终点的若干条航线，包括：
16、将距离所述当前位置最近的航行路径点作为搜索起点；
17、将距离所述航行终点最近的航行路径点作为搜索终点；
18、根据所述电子围栏区域确定各个航行路径点各自对应的上游邻点集和下游邻点集，其中，任意一个第三航行路径点的上游邻点集为位于所述第三航行路径点上游且与所述第三航行路径点相邻的若干航行路径点，所述第三航行路径点的下游邻点集为位于所述第三航行路径点下游且与所述第三航行路径点相邻的若干航行路径点；
19、从所述搜索起点开始，基于预设的搜索算法通过若干次搜索获得若干条能够到达所述搜索终点的搜索路径，其中，每一次搜索都从当前搜索点的上游邻点集或下游邻点集中选择一个航行路径点作为下一个搜索点；
20、将每条搜索路径的搜索起点与所述当前位置相连，将每条搜索路径的搜索终点与所述航行终点相连，获得所述若干条航线。
21、本技术实施例提供一种航线生成方法，由于路径规划是基于各个航行路径点进行的，因此首先需要确定搜索起点与搜索终点，后续的路径规划只需要搜索从搜索起点经过若干航行路径点到达搜索终点的多条路径即可获得多条对应的航线。然后为了有效利用河流信息进行路径规划，在路径规划过程中确定了每个航行路径点各自对应的上游邻点集和下游邻点集，使得后续每一次搜索只需要从当前搜索点的上游邻点集或下游邻点集中选择一个航行路径点作为下一个搜索点，进一步缩小了路径搜索范围，提高了路径规划的效率。
22、进一步的，所述从所述搜索起点开始，基于预设的搜索算法通过若干次搜索获得若干条能够到达所述搜索终点的搜索路径，包括：
23、在每次搜索中将当前搜索点的上游邻点集和下游邻点集中未在当前搜索路径中出现的航行路径点作为待搜索邻点集，创建与所述待搜索邻点集的航行路径点数量相同的搜索路径分支，并删除当前的搜索路径，其中，每条所述搜索路径分支均继承所述当前搜索路径中的航行路径点，每条所述搜索路径分支各自从所述待搜索邻点集中选择不同的航行路径点，形成多条不同的搜索路径并各自进行下一次搜索；
24、当某条第一搜索路径未达到所述搜索终点且无法继续扩展时，删除所述第一搜索路径；
25、当某条第二搜索路径到达所述搜索终点时，保存所述第二搜索路径。
26、本技术实施例提供了一种路径搜索方法，在每一次搜索中都基于待搜索邻点集的数量生成对应的搜索路径分支，并且每个搜索路径分支都继承了当前的搜索路径，各个搜索路径分支又各自继续进行下一次搜索，直到搜索到搜索终点，确保找到所有可以从起点到达终点且不重复的路径，实现了无人船路径的全局规划。
27、在一种可能实现的方式中，所述无人船全局路径规划方法还包括：
28、当所述无人船的航行区域的河道水位发生变化时，所述电子围栏区域会根据河道水位的变化自动调整区域范围；
29、所述无人船在航行过程中，根据预设时间间隔持续检测所述无人船是否超出所述电子围栏区域。
30、在本技术实施例中，电子围栏区域会根据河道水位的变化自动调整区域范围，使得本技术在面对环境变化时，可以在不大量修改地图数据的情况下，处理水位变化对路径规划的影响，提高路径规划的环境适应性。此外，在无人船的航行过程中，根据预设时间间隔持续检测所述无人船是否超出所述电子围栏区域，确保无人船能够正确执行所规划的航线，提高无人船的航行效率与航行安全性。
31、第二方面，相应的，本技术提供一种基于电子围栏的无人船全局路径规划系统，包括获取模块、搜索模块以及评估模块；
32、其中，所述获取模块用于获取无人船的当前位置、航行终点以及电子围栏区域，其中，所述电子围栏区域是通过若干条与水流流向垂直的横截线段与水岸线相交，将无人船的航行区域划分为若干个封闭的围栏区域后获得，所述各个横截线段上各自存在一个对应的航行路径点；
33、所述搜索模块用于根据所述各个航行路径点，基于预设的搜索算法，搜索获得从所述当前位置至所述航行终点的若干条航线，其中，所述航线由所述各个航行路径点之间的连线构成，在每条所述航线中所述各个航行路径点最多出现一次；
34、所述评估模块用于根据预设的评估指标评估所述各个航线，将评分最高的航线作为所述无人船的最终规划航行路线。
35、在一种可能实现的方式中，所述无人船全局路径规划系统还包括电子围栏生成模块，所述电子围栏生成模块用于通过若干条与水流流向垂直的横截线段与水岸线相交，将无人船的航行区域划分为若干个封闭的围栏区域后获得所述电子围栏区域，包括水岸线确定单元、障碍物确定单元、第一横截线段生成单元、第二横截线段生成单元、第一航行路径点生成单元以及第二航行路径点生成单元；
36、其中，所述水岸线确定单元用于确定所述无人船的航行区域的当前水岸线；
37、所述障碍物确定单元用于确定所述无人船的航行区域的障碍物位置；
38、所述第一横截线段生成单元用于根据预设的间隔距离生成若干条与水流流向垂直的第一横截线段与水岸线相交；
39、所述第二横截线段生成单元用于从所述各个障碍物位置处生成各自对应的与水流流向垂直的第二横截线段与水岸线相交；
40、所述第一航行路径点生成单元用于根据第一预设值生成所述各个第一横截线段上的第一航行路径点，其中，所述第一预设值为各个第一航行路径点至两边水岸线的距离的比值；
41、所述第二航行路径点生成单元用于根据第二预设值生成所述各个第二横截线段上的第二航行路径点，其中，所述第二预设值为各个第二航行路径点至对应障碍物的最小距离。
42、在一种可能实现的方式中，所述搜索模块包括搜索起点确定单元、搜索终点确定单元、邻点集确定单元、搜索单元以及航线生成单元；
43、其中，所述搜索起点确定单元用于将距离所述当前位置最近的航行路径点作为搜索起点；
44、所述搜索终点确定单元用于将距离所述航行终点最近的航行路径点作为搜索终点；
45、根据所述电子围栏区域确定各个航行路径点各自对应的上游邻点集和下游邻点集，其中，任意一个第三航行路径点的上游邻点集为位于所述第三航行路径点上游且与所述第三航行路径点相邻的若干航行路径点，所述第三航行路径点的下游邻点集为位于所述第三航行路径点下游且与所述第三航行路径点相邻的若干航行路径点；
46、所述搜索单元用于从所述搜索起点开始，基于预设的搜索算法通过若干次搜索获得若干条能够到达所述搜索终点的搜索路径，其中，每一次搜索都从当前搜索点的上游邻点集或下游邻点集中选择一个航行路径点作为下一个搜索点；
47、所述航线生成单元用于将每条搜索路径的搜索起点与所述当前位置相连，将每条搜索路径的搜索终点与所述航行终点相连，获得所述若干条航线。
48、进一步的，所述搜索单元从所述搜索起点开始，基于预设的搜索算法通过若干次搜索获得若干条能够到达所述搜索终点的搜索路径，包括：
49、在每次搜索中将当前搜索点的上游邻点集和下游邻点集中未在当前搜索路径中出现的航行路径点作为待搜索邻点集，创建与所述待搜索邻点集的航行路径点数量相同的搜索路径分支，并删除当前的搜索路径，其中，每条所述搜索路径分支均继承所述当前搜索路径中的航行路径点，每条所述搜索路径分支各自从所述待搜索邻点集中选择不同的航行路径点，形成多条不同的搜索路径并各自进行下一次搜索；
50、当某条第一搜索路径未达到所述搜索终点且无法继续扩展时，删除所述第一搜索路径；
51、当某条第二搜索路径到达所述搜索终点时，保存所述第二搜索路径。
52、在一种可能实现的方式中，所述无人船全局路径规划系统还包括电子围栏调整模块和航行检测模块；
53、其中，所述电子围栏调整模块用于当所述无人船的航行区域的河道水位发生变化时，所述电子围栏区域会根据河道水位的变化自动调整区域范围；
54、所述航行检测模块用于所述无人船在航行过程中，根据预设时间间隔持续检测所述无人船是否超出所述电子围栏区域。
1.一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，其特征在于，所述通过若干条与水流流向垂直的横截线段与水岸线相交，将无人船的航行区域划分为若干个封闭的围栏区域后获得所述电子围栏区域，包括：
3.如权利要求1所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，其特征在于，所述根据所述各个航行路径点，基于预设的搜索算法，搜索获得从所述当前位置至所述航行终点的若干条航线，包括：
4.如权利要求3所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，其特征在于，所述从所述搜索起点开始，基于预设的搜索算法通过若干次搜索获得若干条能够到达所述搜索终点的搜索路径，包括：
5.如权利要求1所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划方法，其特征在于，所述无人船全局路径规划方法还包括：
6.一种基于电子围栏的无人船全局路径规划系统，其特征在于，包括获取模块、搜索模块以及评估模块；
7.如权利要求6所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划系统，其特征在于，所述无人船全局路径规划系统还包括电子围栏生成模块，所述电子围栏生成模块用于通过若干条与水流流向垂直的横截线段与水岸线相交，将无人船的航行区域划分为若干个封闭的围栏区域后获得所述电子围栏区域，包括水岸线确定单元、障碍物确定单元、第一横截线段生成单元、第二横截线段生成单元、第一航行路径点生成单元以及第二航行路径点生成单元；
8.如权利要求6所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划系统，其特征在于，所述搜索模块包括搜索起点确定单元、搜索终点确定单元、邻点集确定单元、搜索单元以及航线生成单元；
9.如权利要求8所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划系统，其特征在于，所述搜索单元从所述搜索起点开始，基于预设的搜索算法通过若干次搜索获得若干条能够到达所述搜索终点的搜索路径，包括：
10.如权利要求6所述的一种基于电子围栏的无人船全局路径规划系统，其特征在于，所述无人船全局路径规划系统还包括电子围栏调整模块和航行检测模块；
