本發明專利技術公開了一種基于海流歷史統計信息的水下潛器路徑規劃方法，包括確定航行區域，將航行區域柵格化、利用海流歷史統計數據庫生成航行區域內的海流場、利用電子海圖作為環境場，將航行區域內的障礙物、島嶼、淺水區進行簡化合并，生成禁航區、將海流信息和禁航區信息按照柵格進行存儲、構造路徑評價函數、利用粒子群算法進行最優路徑搜索、輸出路徑，路徑規劃結束幾個步驟。本發明專利技術利用海流歷史統計數據庫生成接近真實值的海流場，在充分考慮海流影響的情況下，設計了考慮航行安全性、經濟性、光滑性相結合的路徑評價函數，利用粒子群優化算法作為路徑搜索算法進行水下潛器全局路徑規劃，以規劃出更接近實際航行路線的潛器航行路徑。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水下潛器路徑規劃領域，尤其是一種基于海流歷史統計信息的的水下潛器路徑規劃方法。
技術介紹
路徑規劃問題是水下潛器智能控制的關鍵技術之一。隨著人們對海洋資源的日趨關注，水下潛器在海洋開發、軍事偵察及援潛救生中發揮著越來越重要的作用，人們對水下潛器實現智能控制和自主導航的要求和期望也越來越高，路徑規劃技術在一定程度上直接關系到水下潛器智能水平的高低。由于水下潛器經常工作在大范圍開放的三維空間環境中，受到各種海洋環境要素的影響。這種情況下路徑規劃方法已經不僅僅是避障問題，還要充分考慮各種海洋要素對潛器航行的影響。目前針對路徑規劃的研究主要集中在路徑規劃的方法上，如路徑優化方法、障礙物規避方法等。例如申請號為200910100613.1的專利申請一種基于粒子群優化算法的移動機器人路徑規劃方法，該專利對機器人路徑利用粒子群優化算法進行規劃；最后對規劃的路徑進行深度優先搜索。申請號為201010123511.4的專利提出一種基于雙群協同競爭粒子群和Ferguson樣條的機器人路徑規劃方法，該方法主要解決現有技術中存在的規劃路徑平滑性差且收斂速度緩慢的問題。這些方法在實驗室仿真下已經取得不錯的效果，但是離實際應用還有很大的距離，主要原因之一就是沒有考慮實際的航行環境或者考慮較少。由于海流的流幅多數比較寬，流速也比較大，對航海會產生比較明顯的影響。潛器在有海流存在的海域航行，必須及時修正航向、航速，否則會改變計劃航線、加長航程，甚至會出現航海事故或影響任務的完成。同時潛器在航行過程中如果能充分利用海流的影響，避開逆流并沿著順流航行則能大大節省燃料。因此在路徑規劃中如果充分考慮海流的影響，不僅能夠保證規劃出安全可靠的航行路線，而且能夠節省燃料。目前國內外已經有一些學者開始海流影響下的路徑規劃技術研究。例如徐玉如，姚耀中在《考慮海流影響的水下機器人全局路徑規劃研究》一文中將海流因素作為遺傳算法的評價因子，在路徑規劃的層面上考慮海流的影響。毛宇峰，龐永杰在《改進粒子群在水下機器人路徑規劃中的應用》一文中設計了綜合路徑長度、海流和轉向費用的適應度函數，使算法很好地適應海流的變化，很大程度減小了海流對水下機器人能量消耗和控制的不利影響。但是上述兩篇論文在路徑規劃中采用的海流均是由流函數生成的，與實際海流存在較大差別。利用這種海流數據進行路徑規劃雖然在一定程度上考慮了海流的影響，但是由于這種海流與實際海流存在較大的差距，因此生成的路徑與實際航線偏差較大。海流的流動具有相對穩定性，在較長時間內流動方向、速率和流動路徑大致相似。海流歷史統計數據是完全根據實測資料進行統計的結果，包括最大、最小、平均值等多個統計項目結果，因此在沒有實測信息的情況下，可以利用歷史觀測統計資料來近似表示當前流場。-->
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決傳統路徑規劃中考慮海流因素較少的缺陷，提出了一種基于海流歷史統計信息的水下潛器路徑規劃方法。本專利技術利用海流歷史統計數據庫生成接近真實值的海流場，在路徑規劃中充分考慮了海流的影響，使規劃出的路徑更接近水下潛器實際航行路線。本專利技術的目的是利用海流歷史統計數據庫生成海流場，提供一種充分考慮海流影響的路徑規劃的方法。其特征在于，該方法包含以下要點：步驟1.確定航行區域，將航行區域柵格化；步驟2.利用海流歷史統計數據庫生成航行區域內的海流場；步驟3.利用電子海圖作為環境場，將航行區域內的障礙物、島嶼、淺水區進行簡化合并，生成禁航區；步驟4.將海流信息和禁航區信息按照柵格進行存儲；步驟5.構造路徑評價函數；步驟6.利用粒子群算法進行最優路徑搜索；步驟7.輸出路徑，路徑規劃結束。本專利技術的優點在于：本專利技術利用海流歷史統計數據庫生成接近真實值的海流場，在充分考慮海流影響的情況下，設計了考慮航行安全性、經濟性、光滑性相結合的路徑評價函數，利用改進粒子群優化算法作為優化算法進行水下潛器全局路徑規劃，以規劃出更接近實際航行路線的潛器航行路徑。附圖說明圖1為本專利技術所述水下潛器路徑規劃流程圖。圖2為本專利技術說書改進粒子群優化算法流程圖。具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本專利技術作進一步的詳細說明。本專利技術是一種基于海流歷史統計信息的水下潛器路徑規劃方法，該包括環境建模、海流場生成、路徑評價函數設計、改進粒子群算法設計等關鍵內容，具體流程如圖1所示，包括以下：步驟1.確定航行區域，將航行區域柵格化。航行區域為以路徑起始點和終止點連線為對角線的矩形區域。沿經度和緯度方向分別以10′為單位進行等間隔劃分，生成大小為10′X10′的柵格區域。步驟2.利用海流歷史統計數據庫生成航行區域內的海流場。海流歷史統計數據庫存儲有海流的12個月份歷史統計信息，海流信息是經過累年月平均統計得到，具有一定的權威性和很大的參考價值。海流歷史統計數據庫由25個表組成，分別為月份表、12個月份的海流統計信息北偏量表和12月份的東偏量表。海流信息以網格的形式分布，經緯度的分辨率均為10′，每一個網格的海流以東偏量u和北偏量v來表示，分別存放在海流數據庫中的東偏量表和北偏量表中。已知某位置海流的東偏量u和-->北偏v，則該處的流向θ和流速的計算公式為：|V→c|=u2+v2]]>θ=arctan(uv),v≠0π2,v---(2)]]>航行區域內海流場的生成方法如下：首先連接海流歷史統計數據庫，數據庫連接成功后在月份表中查詢當前日期對應的數據表名。遍歷步驟1中航行區域劃分的柵格，計算每一個柵格的經緯度值，然后根據數據表名在相應的東偏量表和北偏量表中查詢當前經緯度對應的海流的北偏量和東偏量值，并把該值存在海流結構體Struct?oceanCurrent中。海流結構體的具體定義如下：Struct?oceanCurrent{float?oceancurrentU；float?oceancurrentV；本文檔來自技高網...
【技術保護點】
１．一種基于海流歷史統計信息的水下潛器路徑規劃方法，其特征在于，包括以下幾個步驟：步驟１．確定航行區域，將航行區域柵格化；航行區域為以路徑起始點和終止點連線為對角線的矩形區域，沿經度和緯度方向分別以１０′為單位進行等間隔劃分，生成大小為１０′Ｘ１０′的柵格區域；步驟２．利用海流歷史統計數據庫生成航行區域內的海流場；在海流歷史統計數據庫的月份表中查詢當前日期對應的數據表名，遍歷步驟１中航行區域劃分的柵格，計算每一個柵格的經緯度值，然后根據數據表名在相應的東偏量表和北偏量表中查詢柵格當前經緯度對應的海流的北偏量和東偏量值，則生成航行區域內的海流場。步驟３．利用電子海圖作為環境場，將航行區域內的障礙物、島嶼、淺水區進行簡化合并，生成禁航區；利用電子海圖信息作為靜態環境場，將環境中的障礙物、淺水區、島嶼以多邊形形式進行表達，多邊形圍成的區域為禁航區，路徑不能通過，其他區域為可行域，路徑能夠通過。步驟４．將海流信息和禁航區信息按照柵格進行存儲；對于步驟１中劃分的每一個柵格，存儲該柵格的位置信息、海流信息以及禁航區信息；步驟５．構造路徑評價函數；具體包括以下幾個步驟：（１）能量消耗潛器航行過程中的能量消耗主要由兩部分組成；一部分用來克服慣性的加速力Ｆａ，另一部分用來克服牽引潛器運動的牽引力Ｆｄ；（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｅ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｅｎｅｒｇｙ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｕｎｄｅｒ）?（ｍｏ）＆Ｉｎｔｅｇｒａｌ；（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｐ（／ｍｉ）?（／ｍｕｎｄｅｒ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ａ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｆ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｄ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｄ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｒ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）｜（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＲｉｇｈｔＡｒｒｏｗ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ａ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＲｉｇｈｔＡｒｒｏｗ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）ｃ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）｜（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）Ｆａ（ｔ）＝ｗａＶｒ（ｔ） （５）Ｆｄ（ｔ）＝ｗｄＶ２ｒ（ｔ） （６）其中，Ｅｅｎｅｒｇｙ表示潛器克服加速力和牽引力需要消耗的能量，Ｖｒ（ｔ）為相對速度，即馬達需要提供的速度，為絕對速度，即潛器的航行速度；為ｔ時刻的海流速度；ｗａ，ｗｄ為調和常數；由ｎ條路徑段組成的航路的能量消耗離散化為：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｅ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｓｕｍ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｉ）＆Ｓｉｇｍａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｎ（／ｍｉ）?（／ｍｕｎｄｅｒｏｖｅｒ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｅ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｉ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ...
【技術特征摘要】
1.一種基于海流歷史統計信息的水下潛器路徑規劃方法，其特征在于，包括以下幾個步驟：步驟1.確定航行區域，將航行區域柵格化；航行區域為以路徑起始點和終止點連線為對角線的矩形區域，沿經度和緯度方向分別以10′為單位進行等間隔劃分，生成大小為10′X10′的柵格區域；步驟2.利用海流歷史統計數據庫生成航行區域內的海流場；在海流歷史統計數據庫的月份表中查詢當前日期對應的數據表名，遍歷步驟1中航行區域劃分的柵格，計算每一個柵格的經緯度值，然后根據數據表名在相應的東偏量表和北偏量表中查詢柵格當前經緯度對應的海流的北偏量和東偏量值，則生成航行區域內的海流場。步驟3.利用電子海圖作為環境場，將航行區域內的障礙物、島嶼、淺水區進行簡化合并，生成禁航區；利用電子海圖信息作為靜態環境場，將環境中的障礙物、淺水區、島嶼以多邊形形式進行表達，多邊形圍成的區域為禁航區，路徑不能通過，其他區域為可行域，路徑能夠通過。步驟4.將海流信息和禁航區信息按照柵格進行存儲；對于步驟1中劃分的每一個柵格，存儲該柵格的位置信息、海流信息以及禁航區信息；步驟5.構造路徑評價函數；具體包括以下幾個步驟：(1)能量消耗潛器航行過程中的能量消耗主要由兩部分組成；一部分用來克服慣性的加速力Fa，另一部分用來克服牽引潛器運動的牽引力Fd；Eenergy=∫p(Fa(t)+Fd(t))Vr(t)dt---(1)]]>Vr(t)|V→a(t)-V→c(t)|---(4)]]>Fa(t)＝waVr(t)?????????????????????????????(5)Fd(t)＝wdV2r(t)????????????????????????????(6)其中，Eenergy表示潛器克服加速力和牽引力需要消耗的能量，Vr(t)為相對速度，即馬達需要提供的速度，為絕對速度，即潛器的航行速度；為t時刻的海流速度；wa，wd為調和常數；由n條路徑段組成的航路的能量消耗離散化為：Esum=Σi=1nEi---(7)]]>每條航路段劃分成m條子航路段，劃分時確保每條子航路段上的海流值的最大值與最小值偏差不大于航路段上海流平均值的十分之一；Ei=Σj=1mEij=Σj=1m(wdV2r,j+waVr,j)Vr,jΔtj≈Σj=1mwdV3r,jΔtj---(8)]]>其中，Esum為整條航路等能量消耗，Ei為第i個航路段內的能量消耗，Eij為第i個航路段內的第j個子航路段的能量消耗，Δtj為第j個子航路段花費的時間，Vr，j為第j個子航路段內的潛器相對速度；(2)路徑長度對于有n個節點的路徑，則共有n-1條路徑段，路徑長度為路徑段的長度相加，即：Elength=Σi=0n-1ΔLi---(9)]]>ΔLi=(yi-yi-1)2+(xi-xi-1)2---(10)]]>其中，Elength表示整條航路的長度，ΔLi為第i條航路段的長度，xi，yi為第i個路徑點的坐標，xi-1，yi-1為第i-1個路徑點的坐標，1≤i≤n；(3)安全性取距離航線最近的禁航區與航線的距離Lmin作為評價標準，Lmin越大則航線越安全；Esafty=KLmin,Lmin≤Lsafe0,Lmin>Lsafe---(11)]]>其中，Wsafty表示安全代價值，Lmin為距離航線最近的禁航區與航線的距離，Lsafe為潛器與禁航區應該保持的最小安全距離，K為常數；(4)光滑性路徑平滑度應等于路徑所有路徑點的偏轉角度之和，即：Esmooth=Σi=1nθi---(12...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉廠，高峰，趙玉新，李剛，沈志峰，張振興，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：93
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。