[發(fā)明專利]基于逆流逼近策略的UUV最優(yōu)作業(yè)路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110598088.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113325856B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任銳;張哲;譚笑
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七0八研究所
• 主分類號(hào): G05D1/06
• 分類號(hào): G05D1/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊;柏子雵

針對(duì)無人潛航器的水下多目標(biāo)連續(xù)偵察識(shí)別任務(wù)需求，解決現(xiàn)有無人潛航器路徑規(guī)劃方法通過加權(quán)相乘或相加形式綜合優(yōu)化路徑總長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度及航行時(shí)間中加權(quán)系數(shù)選擇困難的問題，本發(fā)明提供了一種基于逆流逼近策略的無人潛航器最優(yōu)作業(yè)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，通過采用逆流逼近目標(biāo)點(diǎn)策略、考慮海流因素對(duì)無人潛航器絕對(duì)航速影響，建立了無量綱化的路徑轉(zhuǎn)移能見度函數(shù)、最優(yōu)目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人潛航器作業(yè)路徑的總長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度及航行時(shí)間的綜合優(yōu)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下無人航行器作業(yè)路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

水下無人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,簡(jiǎn)稱UUV)具備成本低、隱蔽性高、可自主作業(yè)、可搭載模塊化有效載荷實(shí)現(xiàn)多樣化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各類水下偵察及復(fù)雜作業(yè)任務(wù)中。在執(zhí)行水下多目標(biāo)連續(xù)偵察識(shí)別及處理任務(wù)時(shí)，合理規(guī)劃UUV作業(yè)路徑對(duì)提高UUV作業(yè)效率至關(guān)重要。UUV常為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎及抗側(cè)向干擾以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停作業(yè)的過程中需耗費(fèi)大量能源，并且控制過程復(fù)雜、成本高，不利于UUV以經(jīng)濟(jì)高效的方式執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。逆流逼近目標(biāo)并與海流等速逆行近似實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停的方式，可極大地降低對(duì)UUV轉(zhuǎn)向控制及抗側(cè)向干擾懸停控制的要求，使得UUV能夠以低能耗、穩(wěn)定姿態(tài)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，有利于提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別處理效率。

現(xiàn)有UUV作業(yè)路徑規(guī)劃方法在綜合考慮作業(yè)路徑總長(zhǎng)、航行總時(shí)間及轉(zhuǎn)向角度因素進(jìn)行路徑優(yōu)化時(shí)，張楠楠等人(張楠楠,姜文剛,竇剛.改進(jìn)蟻群算法在AUV三維路徑規(guī)劃中的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2019,55(11)：265-270.)通過加權(quán)相乘的形式定義了作為局部轉(zhuǎn)移路徑點(diǎn)選擇依據(jù)的能見度函數(shù)，通過作業(yè)路徑長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度加權(quán)相加的形式構(gòu)建了待優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)(即目標(biāo)函數(shù))，實(shí)現(xiàn)了對(duì)UUV作業(yè)路徑長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)向角度的綜合優(yōu)化。

馬焱等人(馬焱,肖玉杰,陳軼,等.基于改進(jìn)煙花-蟻群算法的海流環(huán)境下水下無人潛航器的避障路徑規(guī)劃[J].導(dǎo)航與控制,2019,18(01):51-59.)則采用加權(quán)相加的形式定義了綜合考慮能量消耗、航行時(shí)間、路徑長(zhǎng)度因素的適應(yīng)度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)UUV作業(yè)路徑的綜合優(yōu)化。

如前文所述的現(xiàn)有采用加權(quán)方法綜合優(yōu)化UUV作業(yè)路徑的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度、耗能、時(shí)間等因素的方式，雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV作業(yè)路徑的優(yōu)化，但是存在著明顯的不足：路徑長(zhǎng)度、航行時(shí)間、轉(zhuǎn)向角度的量綱不同，導(dǎo)致加權(quán)系數(shù)的量綱復(fù)雜，導(dǎo)致選擇合適的加權(quán)系數(shù)變得困難，當(dāng)面臨不同多目標(biāo)偵查任務(wù)的UUV路徑優(yōu)化問題時(shí)，每次均需要重新選取合適的加權(quán)系數(shù)，使得實(shí)際工程應(yīng)用這類路徑規(guī)劃算法變得困難。

此外，UUV常為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎及抗側(cè)向干擾以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停作業(yè)的過程中需耗費(fèi)大量能源，并且控制過程復(fù)雜、成本高，不利于UUV以經(jīng)濟(jì)高效的方式執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。逆流逼近目標(biāo)并與海流等速逆行近似實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停的方式，可極大地降低對(duì)UUV轉(zhuǎn)向控制及抗側(cè)向干擾懸停控制的要求，使得UUV能夠以低能耗、穩(wěn)定姿態(tài)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，有利于提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別處理效率。因此，逆流逼近策略是一種經(jīng)濟(jì)可行的行進(jìn)方式，成為UUV進(jìn)行水下作業(yè)的一種優(yōu)選機(jī)動(dòng)形式。而現(xiàn)有綜合考慮UUV路徑長(zhǎng)度、航行時(shí)間及轉(zhuǎn)向耗能因素的路徑規(guī)劃方法未能實(shí)現(xiàn)對(duì)逆流逼近策略的考慮。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：針對(duì)UUV的水下多目標(biāo)連續(xù)偵察識(shí)別任務(wù)需求，解決現(xiàn)有UUV路徑規(guī)劃方法通過加權(quán)相乘或相加形式綜合優(yōu)化路徑總長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度及航行時(shí)間中加權(quán)系數(shù)選擇困難的問題，形成基于逆流逼近策略的、考慮UUV路徑長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度及航行時(shí)間多因素的綜合優(yōu)化的UUV路徑規(guī)劃方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于逆流逼近策略的無人潛航器最優(yōu)作業(yè)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，通過采用逆流逼近目標(biāo)點(diǎn)策略、考慮海流因素對(duì)無人潛航器絕對(duì)航速影響，建立了無量綱化的路徑轉(zhuǎn)移能見度函數(shù)、最優(yōu)目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人潛航器作業(yè)路徑的總長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向角度及航行時(shí)間的綜合優(yōu)化，具體包括以下步驟：