【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種自主導航系統魯棒性評估方法，本專利技術屬于自主導航系統評估技術研究領域。
技術介紹
1、理想的無人系統應具有在無外界干預下，借助傳感器感知外界環境，從而自主移動到目標區域的能力，自主導航技術是實現這一目標的核心技術，具備自主導航能力的智能體可統稱為自主導航系統，例如自主移動機器人、自主無人潛航器等。
2、魯棒性，英文為robustness，是指系統承載故障和干擾的能力，即系統在面對各種干擾和不確定因素時，是否能夠保持穩定運行或恢復到穩定狀態。由于自主導航系統的工作環境往往復雜多變，所執行的任務范圍又較為廣泛，在面對環境干擾和不確定因素時，也需要盡可能保持系統性能穩定以完成指定任務，因此對于系統的魯棒性提出了較高的要求。綜上所述，對自主導航系統的魯棒性進行準確合理的效能評估，是十分重要的。
3、然而，當前針對自主導航系統魯棒性評估的研究主要存在以下問題：
4、(1)如保定量描述外界環境變化和對自主導航系統施加干擾；
5、(2)如何定量計算反映自主導航魯棒性的各評價指標；
6、(3)如何將各評價指標融合構成最終的魯棒性評估結果。
7、現有的效能評估方法，其評估對象大多是針對靜態目標，通過測量其物理信息來計算各評價指標，而自主導航系統作為移動目標，會在時間和空間上產生大量的數據，要對其魯棒性進行全面評估，就必須合理利用在自主導航過程中產生的路徑和時間數據，從而對評估指標計算和評估體系構建提出了新的要求。
技術實現思路<
1、本專利技術為解決現有技術存在的上述問題，進而提出一種自主導航系統魯棒性評估方法。
2、本專利技術為解決上述問題采取的技術方案是：
3、本專利技術包括如下步驟：
4、步驟1、在規定的原始場景下全局路徑規劃得到預期的目標值和自主導航的實際值；
5、步驟2、通過添加干擾和噪聲，生成添加干擾之后的場景，在此基礎上分別進行全局路徑規劃得到添加干擾之后的目標值和自主導航的實際值；
6、步驟3、將添加干擾之前的目標值與添加干擾之后的目標值進行比較，計算相應的數值；再將添加干擾之前的實際值與添加干擾之后的實際值進行比較，計算相應的數值；
7、步驟4、將步驟3得到的兩個差值分別進行比較，得出評估分數。
8、進一步的，通過干擾損耗、l1和l2損失函數、皮爾森相關系數和可決系數cod對基于施加干擾前后目標值對比和施加干擾前后實際值對比的指標進行計算。
9、進一步的，所述干擾損耗包括時間、路徑以及能量的消耗，時間消耗變化為加入干擾之后時間消耗與加入干擾之前時間消耗的變化量，路徑消耗變化為加入干擾之后路徑消耗與加入干擾之前路徑消耗的變化量，能量消耗變化指加入干擾后能量消耗與加入干擾之前能量消耗的變化量；計算如下：
10、用加入干擾之后的消耗的變化量除以加入干擾之前的值得到變化率，再將變化率求和，
11、
12、式中，δt為加入干擾之后的時間消耗變化量；et為加入干擾之前的時間消耗變化量；δs為加入干擾之后的路徑消耗變化量；es為加入干擾之前的路徑消耗變化量；δe為加入干擾之后的能量消耗變化量；ee為加入干擾之前的能量消耗變化量。
13、進一步的，所述l1和l2損失函數計算如下：yi和f(xi)分別為理論路徑的縱坐標和實際路徑的縱坐標：通過l1范數損失函數和l2范數損失函數，計算加入噪聲和干擾與不加入噪聲和干擾前后，自主導航的實際值之間的差值；
14、
15、與在泛化性評估中運用l1范數損失函數和l2范數損失函數的原則相同，在進行自主導航的魯棒性評估時，如果加入噪聲前后目標值差值較大，則應選擇l1范數進行計算，反之選擇l2范數進行計算。
16、進一步的，所述皮爾森相關系數，r的絕對值越大表明相關性越強，可用于判斷軌跡重合的好壞；r的取值范圍為[-1,1]，r>0表示正相關，r<0表示負相關，r＝0表示不是線性關系；
17、
18、總體相關系數r定義為兩條軌跡x、y之間的協方差和兩者標準差乘積的比值。
19、進一步的，所述可決系數計算如下：
20、首先有一組樣本數據集(x1,y1),(x2,y2),......(xn,yn)，經模型計算得到預測值觀測數據均值然后帶入下式中得到rss和tss，進而得到可決系數r；
21、
22、tss為總平方和，rss為殘差平方和，可決系數值越大，意味著觀測值和計算值越接近，即說明抗干擾能力越強。
23、進一步的，將上述四個指標進行賦予權重進行融合，得到的得到自主導航的魯棒能力arobust，如式(6)所示，r為皮爾森相關系數，為干擾損耗的倒數，為l1/l2范數損失函數的1，r2為可決系數；
24、
25、采用百分制對求得的arobust值進行打分，用得分高低來表示泛化性好壞；
26、將添加干擾之前的目標值與添加干擾之后的目標值進行比較，計算相應的數值arobust1，再將添加干擾之前的實際值與添加干擾之后的實際值進行比較，計算相應的數值arobust2,然后將arobust1和arobust2進行比較，如式(7)所示為魯棒性評分公式：
27、
28、若分數越接近100分，即實際系統的魯棒性與目標值計算得出的魯棒性越接近，則說明系統的自主導航魯棒性越好，若分數超過100分，則意味著場景的干擾不合理，需重新進行評估。
29、本專利技術的有益效果是：
30、1、本專利技術總結歸納了自主導航系統魯棒性評價指標，建立了基于施加干擾前后目標值對比和施加干擾前后實際值對比的指標計算方法，在此基礎上進行指標融合得出自主導航系統魯棒性評估結果。
31、2、本專利技術所提出的自主導航系統魯棒性評估方法，適用于不同場景、不同任務下的魯棒性綜合評估，所選指標可全面描述自主導航系統在時間、空間上的導航性能，并可定量給出評估結果。
32、3、本專利技術實現了對自主導航系統魯棒性的準確全面評估，進而為自主導航技術的研究和改進提供依據和方向，同時本專利技術也對其他領域的效能評估研究具有一定的借鑒意義。
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1.一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述該方法包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，步驟3中，通過干擾損耗、L1和L2損失函數、皮爾森相關系數和可決系數四種方法對基于施加干擾前、后目標值對比和施加干擾前、后實際值對比的指標進行計算。
3.根據權利要求2所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述干擾損耗包括時間、路徑以及能量的消耗，時間消耗變化為加入干擾之后時間消耗與加入干擾之前時間消耗的變化量，路徑消耗變化為加入干擾之后路徑消耗與加入干擾之前路徑消耗的變化量，能量消耗變化指加入干擾后能量消耗與加入干擾之前能量消耗的變化量；計算如下：
4.根據權利要求2所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述L1和L2損失函數計算如下，yi和f(xi)分別為理論路徑的縱坐標和實際路徑的縱坐標：
5.根據權利要求2所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述皮爾森相關系數，r的絕對值越大表明相關性越強，可用于判斷軌跡重合的好壞；r的取值范圍為[-1,1]，r&
6.根據權利要求2所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述可決系數計算如下：
7.根據權利要求3-6任意一項權利要求所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，將上述四個指標進行賦予權重進行融合，得到的得到自主導航的魯棒能力Arobust，如式(6)所示，r為皮爾森相關系數，為干擾損耗的倒數，為L1/L2范數損失函數的1，R2為可決系數；
...【技術特征摘要】
1.一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述該方法包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，步驟3中，通過干擾損耗、l1和l2損失函數、皮爾森相關系數和可決系數四種方法對基于施加干擾前、后目標值對比和施加干擾前、后實際值對比的指標進行計算。
3.根據權利要求2所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述干擾損耗包括時間、路徑以及能量的消耗，時間消耗變化為加入干擾之后時間消耗與加入干擾之前時間消耗的變化量，路徑消耗變化為加入干擾之后路徑消耗與加入干擾之前路徑消耗的變化量，能量消耗變化指加入干擾后能量消耗與加入干擾之前能量消耗的變化量；計算如下：
4.根據權利要求2所述的一種自主導航系統魯棒性評估方法，其特征在于，所述l1和...
【專利技術屬性】
技術研發人員：尹洪濤，鄭文斌，張力心，張昊，孫波，尹溶森，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：
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