一种多站接力导航下运动体的路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种多站接力导航下运动体的路径规划方法，包括：输入路径规划信息；对导航站环境建模，形成拓扑网状图和邻接关系矩阵；列出所有可能的导航站组合；根据每一种导航站组合，采用包含问题特定知识的差分进化算法进行路径规划，将算法最后输出的路径作为候选路径；比较所有候选路径，将其中最好的一条作为最终的规划路径，其对应的导航站组合即为最终选定的导航站组合；本发明专利技术采用多个导航站接力导航的方式，为运动体执行远程任务规划出了满足各种约束且快速抵达目标点的路径，打破了单站导航范围小的局限，有效延伸了运动体的可控移动范围，可以解决海陆空不同情形运动体在多约束条件下从起点到终点的路径规划问题。

Path planning method for moving body under multi station relay guidance

The invention discloses a method of path planning, multi station relay navigation vehicle includes an input path planning information for navigation station; environment modeling, formation of topological mesh graph and the adjacency relation matrix; lists all possible combinations of the navigation station; according to each kind of navigation station combination, which contains problem specific knowledge difference evolutionary algorithm for path planning, path algorithm and outputs as candidate paths; compare all candidate paths, which will be the best one as the final path planning, the corresponding combination navigation station is the final selected navigation station combination; the invention adopts a plurality of relay station navigation navigation mode, for movement execution the remote task planning to meet a variety of constraints and fast arrival path to the target point, breaking the single station navigation small limitations, effective extension of the moving body. The controllable moving range can solve the path planning problem of moving bodies from start to finish under multi constraints in different situations of air sea and ground.

【技术实现步骤摘要】
一种多站接力导航下运动体的路径规划方法
本专利技术属于运动体路径规划研究领域，具体涉及一种多站接力导航下运动体的路径规划方法。
技术介绍
多站接力导航是一种通过散布于不同空间位置且导航范围能够覆盖较大空间的多个站依次为运动体接续导航的联合导航方法。这种导航方式不仅可靠性强，而且可以有效延伸运动体的可控移动范围。多站接力导航下运动体的路径规划问题是实现这种具有前沿性的先进导航方式所需解决的一个关键问题，它涉及三个基本约束条件：多站导航范围约束、多站导航交接约束和运动体机动能力约束。其中，运动体机动能力约束用最大转弯角约束近似表示，多站导航范围约束和多站导航交接约束使得本专利技术中的路径规划问题有别于一般的路径规划问题，也是本专利技术中路径规划问题的主要难点。运动体有多种导航方式，包括自身导航和外部导航，外部导航包括卫星导航、基站导航等。其中，运动体自身导航方式精度有限且易受干扰，卫星导航方式易遭破坏且造价成本高，而基站导航方式可靠性强，且可通过多站联合接力导航的方式为运动体执行远程任务提供路径导引。
技术实现思路
本专利技术中多站接力导航下运动体的路径规划问题主要考虑在多个站联合接力导航的前提下，如何为运动体规划出一条能够满足多站导航范围约束、多站导航交接约束和运动体最大转弯角约束且快速抵达目标点的路径。多站接力导航下运动体的路径规划方法，包括如下步骤：步骤1：输入路径规划信息，具体包括：运动体起点和终点位置信息、导航站导航范围约束信息、导航站导航交接约束信息和运动体最大转弯角约束信息；所述导航站导航范围约束信息是指导航站中心的坐标及有效作用范围，即运动体从起点到终点的整条路径须全部位于导航圆内；所述导航圆表示导航站有效作用范围，半径为r；所述导航站导航交接约束信息是指确保导航交接成功而设定的运动体在交接区域内的最短路径长度L，运动体在交接区域内的路径长度须大于或等于L；所述导航交接是指多个导航站之间移交运动体的导航权；所述交接区域是指两个导航圆之间的重叠区域；所述运动体最大转弯角约束信息是指运动体由于自身机动能力限制所能执行的最大转弯角运动体在每个路点的转弯角须小于或等于步骤2、对多站环境建模，形成拓扑网状图，具体为：将导航站环境建模成一个无向图G＝(V,E)，其中，V＝{v1,v2,...,vp}是节点的集合，表示所有导航站，p表示导航站的数量；E＝{e1,e2,...,eq}是边的集合，表示所有对邻接的导航站；当两个导航站交接区域内最长路径的长度大于或等于导航交接约束L，该两个站被视为邻接，其对应的两个节点连通；所述交接区域内最长路径为交接区域两个顶点的连线；所述交接区域顶点为两个导航圆的交点；步骤3、由运动体的起点位置和终点位置确定运动体的第一个导航站和最后一个导航站，第一个导航站即为起始节点，最后一个导航站即为目标节点；根据步骤2得到的无向图G以及导航站的邻接关系，确定运动体从起始节点到目标节点的所有可行路径，即为所有可能的导航站组合，其中要求每个节点最多被访问一次，即每个导航站最多被使用一次；步骤4、采用差分进化算法对步骤3得到的每一种可能的导航站组合进行路径规划，具体包括如下步骤：S401、随机生成初始路径种群：一条路径由包括起点、多个中间路点和终点的路点依次连接而成，将中间路点设置在交接区域边界弧上；交接区域边界弧包括入弧和出弧，所述入弧为运动体进入交接区域的边界弧，所述出弧为运动体离开交接区域的边界弧；定义入点为位于入弧上的中间路点，出点为位于出弧上的中间路点，其中，入点和出点的位置在各自所在边界弧上随机生成，路点之间采用线段连接；S402、对初始路径种群进行评价：评价指标包括总目标函数值和总约束违反程度；所述总目标函数综合考虑路径总长度和平均转弯角，即总目标函数为路径总长度目标函数和平均转弯角目标函数之和；所述路径总长度是指按照导航顺序依次连接起点、中间路点、终点所形成的全部路段长度之和；所述路段是指两个相邻路点之间的路径；所述平均转弯角是指运动体在所有路点的转弯角的平均值；所述总约束违反程度综合考虑导航交接约束违反程度和最大转弯角约束违反程度，即总约束违反程度为导航交接约束违反程度和最大转弯角约束违反程度之和；当运动体在交接区域内的路径长度大于或等于导航交接约束L时，导航交接约束违反程度为0，否则为两者的绝对差；当运动体在中间路点的转弯角小于或等于最大转弯角约束时，最大转弯角约束违反程度为0，否则为两者的绝对差；S403、记录当前种群的最优路径；若初始种群中存在总约束违反程度为0的路径，则在总约束违反程度为0的路径中选取总目标函数值最小的那条路径作为初始种群的最优路径；若初始种群所有路径的总约束违反程度均大于0，则选取总约束违反程度最小的那条路径作为初始种群的最优路径；S404、基于S401获得的初始路径种群，首先通过变异、交叉操作产生新路径；S405、通过选择操作在新路径和旧路径中留下较优者；选择操作的原则为：当两条路径的总约束违反程度相等时，留下总目标函数值较小的那条路径，当两条路径的总约束违反程度不相等时，留下总约束违反程度较小的那条路径；S406、更新当前种群的最优路径；将选择操作留下的路径与之前记录的种群最优路径进行比较，比较方法与选择操作的原则相同，将两者中较优的一条作为当前种群的最优路径；S407、基于当前路径种群，继续按照S404-S406的方法进行变异、交叉和选择操作，并更新当前种群的最优路径，直到达到给定的最大进化代数，完成路径规划；S408、基于步骤3得到的每一种可能的导航站组合，按照S401-S407的方法得到较优路径作为候选路径；步骤5：比较S408得到的所有候选路径，按照S403的方法选出其中最好的一条作为最终的规划路径，其对应的导航站组合即为最终选定的导航站组合。较佳的，在S401之前，对入点位置和出点位置均进行编码，具体方法如下：将交接区域的后导航圆的圆心作为极点，水平方向向右为极轴，逆时针为正方向，建立局部极坐标系，入点的位置用极角表示；所述交接区域的后导航圆是指运动体即将进入的导航圆；定义出点为位于出弧上的中间路点，出点位置的表示方法如下：将交接区域的前导航圆的圆心作为极点，水平方向向右为极轴，逆时针为正方向，建立局部极坐标系，出点的位置也用极角表示；所述交接区域的前导航圆是指运动体即将离开的导航圆；由此，一条路径由入点极角和出点极角联合表示为θ＝[θ1,θ2,...,θn]，θi表示第i个中间路点的位置，i为奇数时，表示为入点的极角，i为偶数时，表示为出点的极角；限定θi的取值范围为[θi,min,θi,max]，其中θi,min和θi,max为交接区域顶点所对应的极角；采取相对编码的方式，将中间路点位置的解范围映射到[0,1]区间，即将θ＝[θ1,θ2,...,θn]，θi∈[θi,min,θi,max]转化为x＝[x1,x2,...,xn]，xi∈[0,1]；S401中，中间路点的相对编码位置xi在[0,1]区间内随机生成；S404中，中间路点的相对编码位置xi通过变异、交叉操作在[0,1]区间内生成。较佳的，所述S401和S404中，在边界弧上生成路点之前，先对入点位置范围进行限定，方法为：设导航圆O1和导航圆O2相交于顶点A和顶点B，圆心连线本文档来自技高网...

【技术保护点】
多站接力导航下运动体的路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入路径规划信息，具体包括：运动体起点和终点位置信息、导航站导航范围约束信息、导航站导航交接约束信息和运动体最大转弯角约束信息；所述导航站导航范围约束信息是指导航站中心的坐标及有效作用范围，即运动体从起点到终点的整条路径须全部位于导航圆内；所述导航圆表示导航站有效作用范围，半径为r；所述导航站导航交接约束信息是指确保导航交接成功而设定的运动体在交接区域内的最短路径长度L，运动体在交接区域内的路径长度须大于或等于L；所述导航交接是指多个导航站之间移交运动体的导航权；所述交接区域是指两个导航圆之间的重叠区域；所述运动体最大转弯角约束信息是指运动体由于自身机动能力限制所能执行的最大转弯角

【技术特征摘要】
1.多站接力导航下运动体的路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入路径规划信息，具体包括：运动体起点和终点位置信息、导航站导航范围约束信息、导航站导航交接约束信息和运动体最大转弯角约束信息；所述导航站导航范围约束信息是指导航站中心的坐标及有效作用范围，即运动体从起点到终点的整条路径须全部位于导航圆内；所述导航圆表示导航站有效作用范围，半径为r；所述导航站导航交接约束信息是指确保导航交接成功而设定的运动体在交接区域内的最短路径长度L，运动体在交接区域内的路径长度须大于或等于L；所述导航交接是指多个导航站之间移交运动体的导航权；所述交接区域是指两个导航圆之间的重叠区域；所述运动体最大转弯角约束信息是指运动体由于自身机动能力限制所能执行的最大转弯角运动体在每个路点的转弯角须小于或等于步骤2、对多站环境建模，形成拓扑网状图，具体为：将导航站环境建模成一个无向图G＝(V,E)，其中，V＝{v1,v2,...,vp}是节点的集合，表示所有导航站，p表示导航站的数量；E＝{e1,e2,...,eq}是边的集合，表示所有对邻接的导航站；当两个导航站交接区域内最长路径的长度大于或等于导航交接约束L，该两个站被视为邻接，其对应的两个节点连通；所述交接区域内最长路径为交接区域两个顶点的连线；所述交接区域顶点为两个导航圆的交点；步骤3、由运动体的起点位置和终点位置确定运动体的第一个导航站和最后一个导航站，第一个导航站即为起始节点，最后一个导航站即为目标节点；根据步骤2得到的无向图G以及导航站的邻接关系，确定运动体从起始节点到目标节点的所有可行路径，即为所有可能的导航站组合，其中要求每个节点最多被访问一次，即每个导航站最多被使用一次；步骤4、采用差分进化算法对步骤3得到的每一种可能的导航站组合进行路径规划，具体包括如下步骤：S401、随机生成初始路径种群：一条路径由包括起点、多个中间路点和终点的路点依次连接而成，将中间路点设置在交接区域边界弧上；交接区域边界弧包括入弧和出弧，所述入弧为运动体进入交接区域的边界弧，所述出弧为运动体离开交接区域的边界弧；定义入点为位于入弧上的中间路点，出点为位于出弧上的中间路点，其中，入点和出点的位置在各自所在边界弧上随机生成，路点之间采用线段连接；S402、对初始路径种群进行评价：评价指标包括总目标函数值和总约束违反程度；所述总目标函数综合考虑路径总长度和平均转弯角，即总目标函数为路径总长度目标函数和平均转弯角目标函数之和；所述路径总长度是指按照导航顺序依次连接起点、中间路点、终点所形成的全部路段长度之和；所述路段是指两个相邻路点之间的路径；所述平均转弯角是指运动体在所有路点的转弯角的平均值；所述总约束违反程度综合考虑导航交接约束违反程度和最大转弯角约束违反程度，即总约束违反程度为导航交接约束违反程度和最大转弯角约束违反程度之和；当运动体在交接区域内的路径长度大于或等于导航交接约束L时，导航交接约束违反程度为0，否则为两者的绝对差；当运动体在中间路点的转弯角小于或等于最大转弯角约束时，最大转弯角约束违反程度为0，否则为两者的绝对差；S403、记录当前种群的最优路径；若初始种群中存在总约束违反程度为0的路径，则在总约束违反程度为0的路径中选取总目标函数值最小的那条路径作为初始种群的最优路径；若初始种群所有路径的总约束违反程度均大于0，则选取总约束违反程度最小的那条路径作为初始种群的最优路径；S404、基于S401获得的初始路径种群，首先通过变异、交叉操作产生新路径；S405、通过选择操作在新路径和旧路径中留下较优者；选择操作的原则为：当两条路径的总约束违反程度相等时，留下总目标函数值较小的那条路径，当两条路径的总约束违反程度不相等时，留下总约束违反程度较小的那条路径；S406、更新当前种群的最优路径；将选择操作留下的路径与之前记录的种群最优路径进行比较，比较方法与选择操作的原则相同，将两者中较优的一条作为当前种群的最优路径；S407、基于当前路径种群，继续按照S404-S406的方法进行变异、交叉和选择操作，并更新当前种群的最优路径，直到达到给定的最大进化代数，完成路径规划；S408、基于步骤3得到的每一种可能的导航站组合，按照S401-S407的方法得到较优路径作为候选路径；步骤5：比较S408得到的所有候选路径，按照S403的方法选出其中最好的一条作为最终的规划路径，其对应的导航站组合即为最终选定的导航站组合。2.如权利要求1所述的多站接力导航下运动体的路径规划方法，其特征在于，在S401之前，对入点位置和出点位置均进行编码，具体方法如下：将交接区域的后导航圆的圆心作为极点，水平方向向右为极轴，逆时针为正方向，建立局部极坐标系，入点的位置用极角表示；所述交接区域的后导航圆是指运动体即将进入的导航圆；定义出点为位于出弧上的中间路点，出点位置的表示方法如下：将交接区域的前导航圆的圆心作为极点，水平方向向右为极轴，逆时针为正方向，建立局部极坐标系，出点的位置也用极角表示；所述交接区域的前导航圆是指运动体即将离开的导航圆；由此，一条路径由入点极角和出点极角联合表示为θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛斌，漆鸣凤，窦丽华，陈杰，宋冬雪，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11