[發明專利]一種基于地形信息量的水下智能自適應地形匹配方法

有效

• 申請號: 201410002945.7
• 申請日: 2014-01-03
• 公開（公告）號: CN103743402A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 李佩娟;徐曉蘇;張濤;徐勝保;吳劍飛
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 肖明芳

1.一種基于地形信息量的水下智能自適應地形匹配方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1：適配區內地形特征參數值的計算：

通過地形高程數據庫給定地形高度樣本，設定航行區經度、緯度跨度為m×n網格，其中m、n為大于1的整數，h(i，j)為經度方向網格點i(i＝1，2，......m)及緯度方向網格點j(i＝1，2，......n)的交叉點(i，j)處的高度值，則各地形統計特征參數值的具體計算方法如下：

(1)地形粗糙度：

r=(r_λ+r_φ)／2

其中r_λ和r_φ分別為經度方向和緯度方向的粗糙度：

rλ=1(m-1)nΣi=1m-1Σj=1n|h(i,j)-h(i+1,j)|,rφ=1m(n-1)Σi=1mΣj=1n-1|h(i,j)-h(i,j+1)|;]]>

(2)地形標準差：

σ=1m(n-1)Σi=1mΣj=1n(h(i,j)-h‾)2]]>

h‾=1mnΣi=1mΣj=1nh(i,j)]]>

其中為地形高度均值；

(3)地形高度熵

Hf=-Σi=1mΣj=1npijlogpij]]>

pij=h(i,j)/Σi=1mΣj=1nh(i,j)]]>

其中p_ij為地形點坐標(i，j)處的歸一化高程值；

(4)相關系數：

R=(R_λ+R_φ)／2

其中R_λ和R_φ分別表示經度方向和緯度方向的相關系數，

Rλ=1(m-1)nσ2Σi=1m-1Σj=1m[h(i,j)-h‾][h(i+1,j)-h‾]]]>

Rφ=1m(n-1)σ2Σi=1m-1Σj=1n[h(i,j)-h‾][h(i,j+1)-h‾];]]>

步驟S2：基于步驟S1中對航行區內導航信息量的各種特征值計算結果，建立一個特征向量X，包括上述所有地形特征參數，即X=[r?σ?H_f?R]，應用模糊控制方法，將該邊界不清、不易定量的特征參數定量化，具體地，包括如下步驟：

(a)將航行器航行區域等范圍劃分成L塊子航行區，其中L大于1的整數，則航行區m×n網格區變為L個m_l×n_l網格區，且l＝1,2，...，L，對應特征向量X_l=[r_l?σ_l?H_fl?R_l]，構建4個模糊控制器，分別計算第l個網格區內4個特征參數包含的信息量，并計算不同網格區地形信息量的權值系數；

其中，對于計算第l個網格區內地形粗糙度r包含信息量的模糊控制器構造過程如下：

模糊控制器的輸入變量為r_l，輸出為其所包含信息量的權值系數該模糊控制器輸入變量r_l的語言值為E_rl，其模糊子集定義為E_rl={equal0，less1，equal1}，其中模糊語言變量equal0，less1，equal1分別表示基本等于0，基本小于1，基本等于1；該模糊控制器輸出變量的語言值為其模糊子集定義為其中模糊語言變量equal0，less1，equal1分別表示基本等于0，基本小于1，基本等于1；

根據地形匹配精度隨地形粗糙度的增大而增大這一規律，選擇模糊控制規則R_r如下：

IFErl∈equal0,thenUwrl∈equal0]]>

IFErl∈less1,thenUwrl∈less1]]>

IFErl∈equal1,thenUwrlequal1]]>

輸入變量為r_l的隸屬度函數選取正態函數：輸出變量的隸屬度函數選取正態函數μ(wrl)=exp[-wrl-arlorl],orl=0.625;]]>

利用模糊合成運算得到模糊控制器的輸出模糊量為該模糊量不能直接用于計算，需將模糊量轉化為清晰的數字量，采用重心法將其清晰化：

wrl=∫minrmaxruwrlμ(wrl)duwrl∫minrmaxruwrlduwrl;]]>

對于計算第l個網格區內地形標準差σ包含信息量的模糊控制器構造過程如下：

模糊控制器的輸入變量為σ_l，輸出為其所包含信息量的權值系數該模糊控制器輸入變量σ_l的語言值為其模糊子集定義為其中模糊語言變量equal0,less1，equal1分別表示基本等于0，基本小于1，基本等于1；該模糊控制器輸出變量的語言值為其模糊子集定義為其中模糊語言變量equal0，less1，equal1分別表示基本等于0，基本小于1，基本等于1；

根據地形匹配精度隨地形標準差的增大而增大這一規律，選擇模糊控制規則R_σ如下：

IFEσl∈equal0,thenUwσl∈equal0]]>

IFEσl∈less1,thenUwσl∈less1]]>

IFEσl∈equal1,thenUwσl∈equal1]]>

輸入變量為σ_l的隸屬度函數選取正態函數：輸出變量的隸屬度函數選取正態函數μ(wσl)=exp[-wσl-aσloσl],oσl=0.625,]]>

利用模糊合成運算得到模糊控制器的輸出模糊量為該模糊量不能直接用于計算，需將模糊量轉化為清晰的數字量，采用重心法將其清晰化：

wσl=∫minσmaxσuwσlμ(wσl)duwσl∫minσnaxσuwσlduwσl;]]>

對于計算第l個網格區內地形高度熵H_f包含信息量的模糊控制器構造過程如下：

模糊控制器的輸入變量為H_fl，輸出為其所包含信息量的權值系數該模糊控制器輸入變量H_fl的語言值為其模糊子集定義為其中模糊語言變量equal0,more0,less1，equal1分別表示基本等于0，基本大于0，基本小于1，基本等于1；該模糊控制器輸出變量的語言值為其模糊子集定義為UwHfl={equal0,more0,less1,equal1},]]>其中模糊語言變量equal0,more0,less1，equal1分別表示基本等于0，基本大于0，基本小于1，基本等于1；

根據地形匹配精度隨地形高度熵的增大而減小這一規律，選擇模糊控制規則如下：

IFEHfl∈equal0,thenUwHfl∈equal1]]>

IFEHfl∈more0,thenUwHfl∈less1]]>

IFEHfl∈less1,thenUwHfl∈more0]]>

IFEHfl∈equal1,thenUwHfl∈equal0]]>

輸入變量為H_fl的隸屬度函數選取正態函數：輸出變量的隸屬度函數選取正態函數μ(wHfl)=exp[-wHfl-aHfloHfl],oHfl=0.625,]]>

利用模糊合成運算得到模糊控制器的輸出模糊量為該模糊量不能直接用于計算，需將模糊量轉化為清晰的數字量，采用重心法將其清晰化：

wHfl=∫minHfmaxHfuHflμ(wHfl)duwHfl∫minHfmaxHfuwHflduwHfl;]]>

對于計算第l個網格區內地形相關系數R包含信息量的模糊控制器構造過程如下：

模糊控制器的輸入變量為R_l，輸出為其所包含信息量的權值系數該模糊控制器輸入變量R_l的語言值為其模糊子集定義為其中模糊語言變量equal0,more0,less1，equal1分別表示基本等于0，基本大于0，基本小于1，基本等于1；該模糊控制器輸出變量的語言值為其模糊子集定義為UwRl={equal0,more0,less1,equal1},]]>其中模糊語言變量equal0,more0,less1，equal1分別表示基本等于0，基本大于0，基本小于1，基本等于1；

根據地形匹配精度隨地形相關系數值的增大而減小這一規律，選擇模糊控制規則R_R如下：

IFERl∈equal0,thenUwRl∈equal1]]>

IFERl∈more0,thenUwRl∈less1]]>

IFERl∈less1,thenUwRl∈more0]]>

IFERl∈equal1,thenUwRl∈equal0]]>

輸入變量為R_l的隸屬度函數選取正態函數：輸出變量的隸屬度函數選取正態函數μ(wRl)=exp[-wRl-aRloRl],oRl=0.625,]]>

利用模糊合成運算得到模糊控制器的輸出模糊量為該模糊量不能直接用于計算，需將模糊量轉化為清晰的數字量，采用重心法將其清晰化：

wRl=∫minRmaxRuRlμ(wRl)duwRl∫minRmaxRuwRlduwRl;]]>

(b)根據最大熵原理計算每個特征參量的權值W_r、W_σ、和W_R，即各個特征參量在特征向量集中所占比重：

令：ηr=exp[αΣs=1lΣk=1l|rsmaxr-rkmaxr|/(1-α)-1],ησ=exp[αΣs=1lΣk=1l|σsmaxσ-σkmaxσ|/(1-α)-1],]]>

ηHf=exp[αΣs=1lΣk=1l|minHfHfs-minHfHfk|/(1-α)-1],ηR=exp[αΣs=1lΣk=1l|minRRs-minRRk|/(1-α)-1]]]>

則：Wr=ηrηr+ησ+ηHf+ηR,Wσ=ηηr+ησσ+ηHf+ηR,WHf=ηHfηr+ησ+ηHf+ηR·WR=ηRηr+ησ+ηHf+ηR;]]>

(c)然后計算表示每個網格區地形信息含量的權系數W_l：

Wl=WrWσWHfWRwrlwσlwHflwRl]]>

步驟S3：計算l個網格區的匹配采樣時間：根據劃分的每個子網格區內地形信息含量的權系數W_l計算采樣時間t_l，其中T為常用典型采樣時間間隔；

步驟S4：水下航行器駛入地形數據庫包含區域時，進行自適應地形匹配：在主慣性導航系統INS的導航下航行一段距離，與此同時每隔一個時間段t_l，通過航行器的高程測量裝置獲得實測高程D_sp，sp＝1，2…10，并獲得與此對應的慣導系統指示航跡序列sp＝1，2…10sp為一次匹配需要的采樣點個數；提取高程為實測高程D_sp的等高線C_sp；通過位置序列P_sp向等高線C_sp作垂線得到一個匹配垂足序列Y_sp，通過隨機旋轉和平移位置序列P_sp逐漸逼近匹配垂足序列Y_sp，獲得匹配位置序列P′_sp。