专利名称：一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法
技术领域：
本发明属于水下潜器路径规划领域，尤其是一种基于海流历史统计信息的的水下潜器路径规划方法。
背景技术：
路径规划问题是水下潜器智能控制的关键技术之一。随着人们对海洋资源的日趋关注，水下潜器在海洋开发、军事侦察及援潜救生中发挥着越来越重要的作用，人们对水下潜器实现智能控制和自主导航的要求和期望也越来越高，路径规划技术在一定程度上直接关系到水下潜器智能水平的高低。由于水下潜器经常工作在大范围开放的三维空间环境中，受到各种海洋环境要素的影响。这种情况下路径规划方法已经不仅仅是避障问题，还要充分考虑各种海洋要素对潜器航行的影响。目前针对路径规划的研究主要集中在路径规划的方法上，如路径优化方法、障碍物规避方法等。例如申请号为200910100613. 1的专利申请一种基于粒子群优化算法的移动机器人路径规划方法，该专利对机器人路径利用粒子群优化算法进行规划；最后对规划的路径进行深度优先搜索。申请号为201010123511. 4的专利提出一种基于双群协同竞争粒子群和Ferguson样条的机器人路径规划方法，该方法主要解决现有技术中存在的规划路径平滑性差且收敛速度缓慢的问题。这些方法在实验室仿真下已经取得不错的效果，但是离实际应用还有很大的距离，主要原因之一就是没有考虑实际的航行环境或者考虑较少。由于海流的流幅多数比较宽，流速也比较大，对航海会产生比较明显的影响。潜器在有海流存在的海域航行，必须及时修正航向、航速，否则会改变计划航线、加长航程，甚至会出现航海事故或影响任务的完成。同时潜器在航行过程中如果能充分利用海流的影响，避开逆流并沿着顺流航行则能大大节省燃料。因此在路径规划中如果充分考虑海流的影响，不仅能够保证规划出安全可靠的航行路线，而且能够节省燃料。目前国内外已经有一些学者开始海流影响下的路径规划技术研究。例如徐玉如，姚耀中在《考虑海流影响的水下机器人全局路径规划研究》一文中将海流因素作为遗传算法的评价因子，在路径规划的层面上考虑海流的影响。毛宇峰，庞永杰在《改进粒子群在水下机器人路径规划中的应用》一文中设计了综合路径长度、海流和转向费用的适应度函数，使算法很好地适应海流的变化，很大程度减小了海流对水下机器人能量消耗和控制的不利影响。但是上述两篇论文在路径规划中采用的海流均是由流函数生成的，与实际海流存在较大差别。利用这种海流数据进行路径规划虽然在一定程度上考虑了海流的影响，但是由于这种海流与实际海流存在较大的差距，因此生成的路径与实际航线偏差较大。海流的流动具有相对稳定性，在较长时间内流动方向、速率和流动路径大致相似。海流历史统计数据是完全根据实测资料进行统计的结果， 包括最大、最小、平均值等多个统计项目结果，因此在没有实测信息的情况下，可以利用历史观测统计资料来近似表示当前流场。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统路径规划中考虑海流因素较少的缺陷，提出了一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法。本发明利用海流历史统计数据库生成接近真实值的海流�。诼肪豆婊谐浞挚悸橇撕Ａ鞯挠跋欤构婊龅穆肪陡咏虑逼魇导屎叫新废�。本发明的目的是利用海流历史统计数据库生成海流�。峁┮恢殖浞挚悸呛Ａ饔跋斓穆肪豆婊姆椒�。其特征在于，该方法包含以下要点步骤1.确定航行区域，将航行区域栅格化；步骤2.利用海流历史统计数据库生成航行区域内的海流�。徊街�3.利用电子海图作为环境�。叫星蚰诘恼习�、岛屿、浅水区进行简化合并，生成禁航区；步骤4.将海流信息和禁航区信息按照栅格进行存储；步骤5.构造路径评价函数；步骤6.利用粒子群算法进行最优路径搜索；步骤7.输出路径，路径规划结束。本发明的优点在于本发明利用海流历史统计数据库生成接近真实值的海流�。诔浞挚悸呛Ａ饔跋斓那榭鱿拢杓屏丝悸呛叫邪踩�、经济性、光滑性相结合的路径评价函数，利用改进粒子群优化算法作为优化算法进行水下潜器全局路径规划，以规划出更接近实际航行路线的潜器航行路径。
图1为本发明所述水下潜器路径规划流程图。图2为本发明说书改进粒子群优化算法流程图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，该包括环境建模、海流场生成、路径评价函数设计、改进粒子群算法设计等关键内容，具体流程如图1所示，包括以下步骤1.确定航行区域，将航行区域栅格化。航行区域为以路径起始点和终止点连线为对角线的矩形区域。沿经度和纬度方向分别以10'为单位进行等间隔划分，生成大小为10' XlO'的栅格区域。步骤2.利用海流历史统计数据库生成航行区域内的海流场。海流历史统计数据库存储有海流的12个月份历史统计信息，海流信息是经过累年月平均统计得到，具有一定的权威性和很大的参考价值。海流历史统计数据库由25个表组成，分别为月份表、12个月份的海流统计信息北偏量表和12月份的东偏量表。海流信息以网格的形式分布，经纬度的分辨率均为10'，每一个网格的海流以东偏量u和北偏量ν来表示，分别存放在海流数据库中的东偏量表和北偏量表中。已知某位置海流的东偏量u和北偏V，则该处的流向θ和流速I R I的计算公式为
权利要求
1. 一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤1.确定航行区域，将航行区域栅格化；航行区域为以路径起始点和终止点连线为对角线的矩形区域，沿经度和纬度方向分别以10'为单位进行等间隔划分，生成大小为10' XlO'的栅格区域； 步骤2.利用海流历史统计数据库生成航行区域内的海流场； 在海流历史统计数据库的月份表中查询当前日期对应的数据表名，遍历步骤1中航行区域划分的栅格，计算每一个栅格的经纬度值，然后根据数据表名在相应的东偏量表和北偏量表中查询栅格当前经纬度对应的海流的北偏量和东偏量值，则生成航行区域内的海流场。步骤3.利用电子海图作为环境�。叫星蚰诘恼习�、岛屿、浅水区进行简化合并，生成禁航区；利用电子海图信息作为静态环境�。肪持械恼习�、浅水区、岛屿以多边形形式进行表达，多边形围成的区域为禁航区，路径不能通过，其他区域为可行域，路径能够通过。 步骤4.将海流信息和禁航区信息按照栅格进行存储；对于步骤1中划分的每一个栅格，存储该栅格的位置信息、海流信息以及禁航区信息； 步骤5.构造路径评价函数； 具体包括以下几个步骤(1)能量消耗潜器航行过程中的能量消耗主要由两部分组成；一部分用来克服惯性的加速力Fa，另一部分用来克服牵引潜器运动的牵引力Fd ；^ = f(^(0+^ (OK (O^i(3)P^o =I 民(0—民 ω I(4)Fa (t) =waVr(t)(5)Fd (t) = WdV2r (t)(6)其中，EmCTgy表示潜器克服加速力和牵引力需要消耗的能量，Vr (t)为相对速度，即马达需要提供的速度，为绝对速度，即潜器的航行速度；民(0为t时刻的海流速度；wa，wd为调和常数；由η条路径段组成的航路的能量消耗离散化为E =YE.(7)sum / j ιi=\每条航路段划分成m条子航路段，划分时确保每条子航路段上的海流值的最大值与最小值偏差不大于航路段上海流平均值的十分之一；mmmE1 = Σ A = Σ + ^ Vr, YrAh - Σ w^rAh ^ 8 )；=1 ；=1 ；=1其中，Ε·为整条航路等能量消耗，Ei为第i个航路段内的能量消耗，Eij为第i个航路段内的第j个子航路段的能量消耗，Atj为第j个子航路段花费的时间，Vy为第j个子航路段内的潜器相对速度；(2)路径长度对于有η个节点的路径，则共有η-1条路径段，路径长度为路径段的长度相加，即
2.根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤2中，通过栅格海流的东偏量u和北偏v，得到该处的流向θ和流速I民I 为
3 根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤3中，电子海图为shapefile格式电子海图。
4.根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤5(1)中，Wa = 0。
5.根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤5(3)中，Lsafe的值取潜器长度的6-15倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤5(3)中，K的取值为900Lsafe至IlOOLsafe0
7.根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤6. 5中，Wmax取值为0. 75到1. 05，Wmin取值为0. 3到0. 55。
8.根据权利要求1所述的一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，其特征在于，所述的步骤6. 5中，所述的Clf、4。的取值范围为0. 3到0. 7，ci。、c2f的取值范围为 2. 2 到 2. 8。
全文摘要
本发明公开了一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，包括确定航行区域，将航行区域栅格化、利用海流历史统计数据库生成航行区域内的海流场、利用电子海图作为环境�。叫星蚰诘恼习�、岛屿、浅水区进行简化合并，生成禁航区、将海流信息和禁航区信息按照栅格进行存储、构造路径评价函数、利用粒子群算法进行最优路径搜索、输出路径，路径规划结束几个步骤。本发明利用海流历史统计数据库生成接近真实值的海流场，在充分考虑海流影响的情况下，设计了考虑航行安全性、经济性、光滑性相结合的路径评价函数，利用粒子群优化算法作为路径搜索算法进行水下潜器全局路径规划，以规划出更接近实际航行路线的潜器航行路径。
文档编号G01C21/20GK102175245SQ20111003127
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者刘厂, 张振兴, 李刚, 沈志峰, 赵玉新, 高峰 申请人:哈尔滨工程大学
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