[发明专利]一种基于海流预测的水下滑翔机动态运动规划方法

说明书

本发明提出一种基于海流预测的水下滑翔机动态运动规划方法，用于在海流未知且时变的复杂海流环境下动态规划水下滑翔机从起点到目标点的一系列运动参数：航向、深度和俯仰。该方法主要利用基于VMD‑PSO‑LSSVM的水下滑翔机深平流预测模型和异步双精度优化窗口策略实现动态运动规划。首先，对水下滑翔机模型进行分析，分别建立稳态滑翔模型和能耗模型；其次，建立基于VMD‑PSO‑LSSVM的水下滑翔机深平流预测模型，实现对未知海流的预测；最后，利用异步双精度优化窗口策略完成对滑翔机每一滑翔周期的运动参数进行规划。本方法考虑了水下滑翔机能耗模型和海洋环境模型，能够实现动态避障，为滑翔机提供安全保障和降低能耗。

技术领域

本发明属于水下滑翔机任务规划技术领域，具体涉及一种水下滑翔机动态运动规划方法。

背景技术

自主式水下滑翔机(Autonomous Underwater Glider)是一种以净浮力为驱动力的新型水下航行器，具有滑翔速度低，单周期滑翔时间长，能耗低等特点，被广泛地用于海洋观测、水下监控、海底勘探等科学研究。水下滑翔机单周期的滑翔过程主要包括：(1)准备下潜阶段。水下滑翔机收到下潜任务指令时，开始减小浮力，准备下潜；(2)稳态下潜阶段。控制系统保持水下滑翔机以固定的俯仰角稳态下潜；(3)上浮浮力调节阶段。当水下滑翔机到达目标深度时，开始浮力调节，移动滑块增大油馕体积进而转为上浮。(4)稳态上浮阶段。控制系统保持水下滑翔机以固定俯仰角稳态上浮。(5)浮出水面阶段。水下滑翔机浮出水面，通过卫星发送水下滑翔机当前状态，然后接收操作人员新的指令。

深平流指不同深度下水平方向海流的平均值。由于水下滑翔机动力小，滑翔速度低，其对海洋环境信息(海流、气象、障碍、地形等)非常敏感，因此在运动规划的过程中需要充分考虑海洋环境信息。尤其是海流信息，表面的海流往往比较容易获取，但是获取不同深度下的海流信息比较困难。同时，由于滑翔机能耗的限制和载荷量的限制，水下滑翔机往往不携带测流装置，因此，如何根据滑翔机特殊的运动方式来估计和预测深平流对滑翔机运动规划研究有重要的意义。本方法采用的是基于VMD-PSO-LSSVM的水下滑翔机深平流预测模型。该预测模型能够准确的估计和预测滑翔机未来多周期的深平流信息，为后续动态运动规划提供理论指导。

目前，水下滑翔机路径规划方法研究的非常成熟，无论是在时不变的海流环境还是在时变的海流环境中，路径规划都能取得不错的结果。然而，国内外针对水下滑翔机运动规划的研究内容较少。本方法提出了一种基于海流预测的水下滑翔机动态运动规划方法，结合了海洋环境模型和滑翔机能耗模型，规划了滑翔机每一周的运动参数：航向、深度和俯仰。动态运动规划有重要的研究意义，一方面，利用滑翔机每一周期的航向、深度和俯仰可以确定一条精细的三维路径；另一方面，详细的动作规划结果可作为滑翔机轨迹跟踪的控制期望，一定程度上减轻滑翔机控制压力。本方法适用于海流信息未知、障碍物未知的复杂海洋环境，通过异步双精度优化窗口策略，为滑翔机运动规划提供安全保障和降低能耗。

发明内容

为提高水下滑翔机在复杂海洋环境中动态运动规划能力，本发明提供一种基于海流预测的水下滑翔机动态运动规划方法。首先，建立水下滑翔机的稳态滑翔模型和能耗模型，分别得出滑翔速度与净浮力和俯仰角之间的关系和滑翔机滑翔一周期的总能耗；然后利用深平流预测方法预测未来滑翔周期的海流信息；最后利用异步双精度优化窗口策略动态规划滑翔机每一周期的航向、深度和俯仰。本发明能够在海流信息未知、障碍物未知的复杂海洋环境下，实现动态避障。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：建立水下滑翔机稳态滑翔模型；

通过对水下滑翔机稳态滑翔时的受力分析，可得出稳态滑翔速度是净浮力和滑翔角的函数：