[发明专利]一种水下自主航行器的三维航迹智能规划方法

权利要求书

1.一种水下自主航行器的三维航迹智能规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)海底地形模拟；

2)航迹评价指标和优化函数选取，通过对航迹规划问题的分析，建立了综合考虑航程长度及规避动态目标的评价函数模型；

3)约束处理和搜索空间划分，制定了一种将约束处理与搜索空间裁剪相结合的机制，用于在缩减搜索空间的同时使得航迹满足各项约束条件；

4)采用改进的蚁群算法进行航迹的优化。

2.根据权利要求1所述的一种水下自主航行器的三维航迹智能规划方法，其特征在于，所述的海底地形模拟采用随机地形模拟与山峰地形模拟相结合的方法来模拟航迹规划的地形。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下自主航行器的三维航迹智能规划方法，其特征在于，所述的海底地形模拟具体过程为：

海底地形在高度方向上分解为两个组成部分，首先是产生地形平均高度的地形基准平面高度，其次是地形基准平面上叠加的地形起伏：

H(x,y)＝H₀+Z(x,y)

其中，H(x,y)为坐标(x,y)点的实际海拔高度；H₀为整个地区的平均高度；Z(x,y)为在地形平均高度基础上的地形起伏高度；

对于实际地形的起伏算法是用高斯分布的随机序列来表征的，地形采样点的相关性为指数衰减：

其中，τ_x和τ_y为两个采样点在x和y方向的距离；τ_xc和τ_yc是抗相关距离，对于典型地形，抗相关距离越大地形越平滑；A为衰减系数；

对山峰地形而言，Z(x,y)表示山峰的地形采样点，其模拟采用函数法来产生，函数形式为:

其中，Z₀为基准地形高度；Z_i为第i个山峰在基准地形之上的最高点的高度；x_0i和y_0i为第i个山峰最高点的坐标；x_si和y_si为第i个山峰沿x轴和y轴方向与坡度有关的量，其值越大，相应的山峰就越平坦，反之就越陡峭；n＝1时是孤立的山峰，n＞1是多个山峰组合。

4.根据权利要求1所述的一种水下自主航行器的三维航迹智能规划方法，其特征在于，所述的航迹评价指标和优化函数选取具体为：

采用网格法来划分三维规划空间；

在对规划空间进行合理的网格法离散化后，航迹规划问题表示为寻找从起始点S₀到目标点D之间的最优的航迹点序列{S₀,P₁,P₂,...,P_n,D}，使得水下自主航行器在沿着由这些航迹点连接而成的航迹上航行时航迹的某种代价最小，其中，P₁,...,P_n为某个六面体的某一顶点；

在经过网格法离散化处理后的航迹规划空间中，航迹的总长度由各段航迹边的长度相加得到，其优化目标函数取为：

其中，l_i为第i条航迹边的长度；

假设水下自主航行器在航迹边i时与动态障碍物碰撞的概率为P_i，则在整条航迹上，水下自主航行器规避动态目标的优化目标函数为：

令P_i^*＝log((1-P_i)^-1)，则水下自主航行器规避动态目标的优化目标表述为：

对航迹长度与动态目标碰撞概率两项评价指标的形式做一致性处理后，就将两者统一于同一次优化过程中，引入加权系数k₁和k₂，分别表征航迹长度优化与规避动态目标优化的权重值，其中k₁+k₂＝1，k₁、k₂＞0，最终的航迹优化目标取为如下形式：

选取了合适的优化目标函数之后，就按照某条航迹对应的目标函数值的大小来对航迹的优劣做一个综合的评价，采用所选取的优化目标函数为和最小化形式，因此，如果组成一条航迹的各航迹边的代价之和越小，则该条航迹性能越好。