[发明专利]基于逆流逼近策略的UUV最优作业路径规划方法

说明书

针对无人潜航器的水下多目标连续侦察识别任务需求，解决现有无人潜航器路径规划方法通过加权相乘或相加形式综合优化路径总长度、转向角度及航行时间中加权系数选择困难的问题，本发明提供了一种基于逆流逼近策略的无人潜航器最优作业路径规划方法，其特征在于，通过采用逆流逼近目标点策略、考虑海流因素对无人潜航器绝对航速影响，建立了无量纲化的路径转移能见度函数、最优目标的适应度函数，实现了对无人潜航器作业路径的总长度、转向角度及航行时间的综合优化。

技术领域

本发明涉及一种水下无人航行器作业路径规划方法。

背景技术

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,简称UUV)具备成本低、隐蔽性高、可自主作业、可搭载模块化有效载荷实现多样化作业等优点，已被广泛应用于各类水下侦察及复杂作业任务中。在执行水下多目标连续侦察识别及处理任务时，合理规划UUV作业路径对提高UUV作业效率至关重要。UUV常为欠驱动系统，在执行转弯及抗侧向干扰以实现定点悬停作业的过程中需耗费大量能源，并且控制过程复杂、成本高，不利于UUV以经济高效的方式执行作业任务。逆流逼近目标并与海流等速逆行近似实现定点悬停的方式，可极大地降低对UUV转向控制及抗侧向干扰悬停控制的要求，使得UUV能够以低能耗、稳定姿态执行作业任务，有利于提高对目标的识别处理效率。

现有UUV作业路径规划方法在综合考虑作业路径总长、航行总时间及转向角度因素进行路径优化时，张楠楠等人(张楠楠,姜文刚,窦刚.改进蚁群算法在AUV三维路径规划中的研究[J].计算机工程与应用,2019,55(11)：265-270.)通过加权相乘的形式定义了作为局部转移路径点选择依据的能见度函数，通过作业路径长度、转向角度加权相加的形式构建了待优化的适应度函数(即目标函数)，实现了对UUV作业路径长度和转向角度的综合优化。

马焱等人(马焱,肖玉杰,陈轶,等.基于改进烟花-蚁群算法的海流环境下水下无人潜航器的避障路径规划[J].导航与控制,2019,18(01):51-59.)则采用加权相加的形式定义了综合考虑能量消耗、航行时间、路径长度因素的适应度函数，实现了对UUV作业路径的综合优化。

如前文所述的现有采用加权方法综合优化UUV作业路径的长度、转向角度、耗能、时间等因素的方式，虽然能实现对UUV作业路径的优化，但是存在着明显的不足：路径长度、航行时间、转向角度的量纲不同，导致加权系数的量纲复杂，导致选择合适的加权系数变得困难，当面临不同多目标侦查任务的UUV路径优化问题时，每次均需要重新选取合适的加权系数，使得实际工程应用这类路径规划算法变得困难。

此外，UUV常为欠驱动系统，在执行转弯及抗侧向干扰以实现定点悬停作业的过程中需耗费大量能源，并且控制过程复杂、成本高，不利于UUV以经济高效的方式执行作业任务。逆流逼近目标并与海流等速逆行近似实现定点悬停的方式，可极大地降低对UUV转向控制及抗侧向干扰悬停控制的要求，使得UUV能够以低能耗、稳定姿态执行作业任务，有利于提高对目标的识别处理效率。因此，逆流逼近策略是一种经济可行的行进方式，成为UUV进行水下作业的一种优选机动形式。而现有综合考虑UUV路径长度、航行时间及转向耗能因素的路径规划方法未能实现对逆流逼近策略的考虑。

发明内容

本发明的目的是：针对UUV的水下多目标连续侦察识别任务需求，解决现有UUV路径规划方法通过加权相乘或相加形式综合优化路径总长度、转向角度及航行时间中加权系数选择困难的问题，形成基于逆流逼近策略的、考虑UUV路径长度、转向角度及航行时间多因素的综合优化的UUV路径规划方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于逆流逼近策略的无人潜航器最优作业路径规划方法，其特征在于，通过采用逆流逼近目标点策略、考虑海流因素对无人潜航器绝对航速影响，建立了无量纲化的路径转移能见度函数、最优目标的适应度函数，实现了对无人潜航器作业路径的总长度、转向角度及航行时间的综合优化，具体包括以下步骤：