一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法技术

本发明专利技术提供一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法，包括航行区域的确定和透明度、跃层数据的提取，基于透明度和跃层数据对航行区域进行评估，将离散透明度和跃层数据点处理成多边形区域，在航行区域中利用粒子群算法搜索最优路径等几个重点步骤。本发明专利技术根据海水透明度和跃层对水下潜器的影响将航行区域划分为禁航区、危险区、隐蔽区、暴露区，基于水下潜器安全性和隐蔽性设计路径评价函数，并利用粒子群算法对水下潜器航行路径进行规划，能够得到满足水下潜器安全、隐蔽航行的路径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法
本专利技术涉及一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法，属于水下潜器路径规划领域。
技术介绍
自主式水下潜器工作的海洋环境复杂多变，水下潜器在水下航行要受海洋水文要素的影响。如海流会对水下潜器产生转向力矩，导致其航向、航迹偏离预定计划，目前已有研究将海洋要素考虑进水下潜器的路径约束中，如申请号为201110031277.7专利申请一种基于海流历史统计信息的水下潜器路径规划方法，该方法充分考虑海流影响，规划出具有安全性、经济性、光滑性相结合的航行路径。申请号为201310714121.8专利申请一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法，此方法将海洋要素中的透明度作为AUV航行路径的约束之一。以上方法考虑的水文要素单一，没有将跃层、透明度、声道等水文要素综合考虑到海洋环境的模型中，然而这些水文要素对水下潜器的作业都有明显的影响。如李雅斯在《AUV路径规划系统的环境建模方法研究》一文和王彦磊、袁博等人在《海洋环境对潜艇的活动影响》一文中都描述了海洋要素对水下潜器的航行影响。其中，温度跃层是海洋中非常重要的环境参数，它将直接影响潜器在水下的隐蔽性。海洋密度跃层的存在将隔断海水在垂直梯度上的流动，对自主式水下潜器的安全性影响非常大。海洋的透明度要素是影响水下潜器的下潜深度和水下装备布置的关键参数。海水透明度表示了光线在海水中透射的深度，它将影响自主式水下潜器的下潜深度。然而，这些研究重点说明了海洋要素对航行的影响，并没有说明如何处理海洋要素数据，如何将海洋要素对水下潜器航行的影响考虑进航行路径的评价中。现有的文献表明，目前尚无考虑跃层和透明度信息的水下潜器航路规划方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了为水下潜器规划出既安全又隐蔽的航行路径而提供一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法。本专利技术的目的是这样实现的：包括以下步骤：步骤1、确定航行区域，提取跃层和透明度数据航行区域是以路径起始点与终止点连线为对角线的矩形区域，从海洋环境数据库中提取在矩形区域范围内的声速跃层、温度跃层、密度跃层数据和透明度数据；步骤2、航行区域环境评估对航行区域内的跃层和透明度散点数据进行处理，跃层数据提取分类成禁航区、隐蔽区、危险区，透明度数据提取成暴露区，具体如下：(2.1)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中温度跃层点上界深度dtemp相比较，若dtemp<dAmax，提取该温度跃层点数据，归入隐蔽区的温度跃层文件中；(2.2)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中声速跃层点上界深度dsound相比较，若dsound<dAmax，提取该声速跃层点数据，归入隐蔽区的声速跃层文件中；若dAmax<dsound，提取该声速跃层点数据，归入危险区的声速跃层文件中；(2.3)提取自主式水下潜器航行区域中负密度跃层点数据归入禁航区的负密度跃层文件中；(2.4)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中透明度数据点上界深度dtransparency相比较，若dtransparency<dAmax，提取该透明度点数据，归入暴露区的透明度文件中；步骤3、将透明度和跃层离散点数据处理成多边形区域(3.1)将透明度或跃层点处于八个方向地理位置相邻的点聚堆，作为同一个要素块；(3.2)提取要素块四周的边缘点；(3.3)选取扫描基准点；(3.4)散点扫描排序，以基准原点p0为基准，按照极角从小到大将点排序，利用数学公式向量的外积模公式：|c|＝|a|×|b|×sin＜a,b＞＝a.x×b.y-b.x×a.y其中，a、b为同一个数据要素块中不同的要素点，a.x,b.x为要素点a,b经度坐标，a.y,b.y为要素点a,b纬度坐标；(3.5)按照极角顺序对边缘点进行graham扫描，每三个点为一个扫描单位，设一个扫描单位中的三个点分别为p1、p2、p3，当扫描到逆时针转p1、p2、p3时保留顶点p2，顺时针转p1、p2、p3时分以下几种情况：设均匀间隔网格数据间距为d0，p1点与p2点之间距离为d1，p2与p3点之间的距离为d2，p1、p2、p3的夹角为α；如果且α>90°，则保留p2点；(1)α>45°，保留p2点；根据上述规则依次遍历所有的点，保留的点就是多边形的顶点集；(3.6)重复步骤(3.5)，直到多边形顶点集不再发生变化，输出多边形；步骤4、构造路径评价函数；(1)路径长度对于有k个节点的航路，共有k-1个路径段，航路长度为路径段的长度相加，即：其中，ΔLi是第i段路径的直线欧式距离，xi,yi,zi分别是第i个路径点的经度、纬度、深度方向上的坐标，xi-1,yi-1,zi-1分别是第i-1个路径点的经度、纬度、深度方向上的坐标，其中i≤k；(2)安全性判断航线是否进入禁航区和危险区，若航线进入禁航区或危险区，设为情况1；未进入禁航区或危险区则为情况2；设进入禁航区或危险区路径惩罚值wsafty×fl，其中wsafety为路径的安全性权重系数，fl是路径实际长度，则安全性的评价函数为：(3)隐蔽性航路进入暴露区，为情况1，添加路径惩罚值wexposure×fl，其中wexposure为路径的暴露性权重系数，fl是路径实际长度，未进入暴露区为情况2；进入隐蔽区，航路在隐蔽区的路径长度Lc，添加路径奖励值wconcealment×Lc，其中wconcealment为路径的隐蔽性权重系数，则路径的隐蔽性评价函数为：(4)上述三个路径指标中，根据航行任务指标的优先级确定相关系数大小，安全性优先级最高，其次是隐蔽性，因此，安全性权重系数wsafty大于暴露性权重系数wexposure和隐蔽性权重系数wconcealment；根据优先级设置，路径优劣的评价标准函数设计为：f(p)＝fl+fs+fc其中，fl是路径的实际长度，fs是路径的安全性评价值，fc是路径的隐蔽性评价值，f(p)越小，表示路径越优；步骤5、利用粒子群算法进行路径规划(5.1)初始化粒子群算法参数；(5.2)随机产生一组初始解；(5.3)计算各个粒子的适应度值，更新粒子的个体最优值和种群最优值；(5.4)根据粒子更新公式更新粒子；(5.5)重复步骤(5.3)～(步骤5.4)达到最大迭代次数；(5.6)输出具有安全性、隐蔽性的路径，路径规划结束。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.所述步骤4中，wsafty＝0.5。2.所述步骤4中，wexposure＝0.3，wconcealment＝0.2。3.步骤(3.4)中的散点扫描排序规则为：|c|＞0：要素点a在要素b的顺时针方向；|c|＜0：要素点a在要素b的逆时针方向；|c|＝0：共线时，按照与原点p0距离由小到大顺序，删掉距离原点距离小的点，相同位置的点只保留一个。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽航路规划方法，通过对航行区域的环境评估，提取透明度和跃层数据形成禁航区、危险区、隐蔽区以及暴露区。充分考虑了航行区域中跃层和透明度对于水下潜器航行的影响，规划出的路径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定航行区域，提取跃层和透明度数据航行区域是以路径起始点与终止点连线为对角线的矩形区域，从海洋环境数据库中提取在矩形区域范围内的声速跃层、温度跃层、密度跃层数据和透明度数据；步骤2、航行区域环境评估对航行区域内的跃层和透明度散点数据进行处理，跃层数据提取分类成禁航区、隐蔽区、危险区，透明度数据提取成暴露区，具体如下：(2.1)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中温度跃层点上界深度dtemp相比较，若dtemp

【技术特征摘要】
2018.04.19 CN 20181035441231.一种基于透明度和跃层数据的水下潜器隐蔽路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定航行区域，提取跃层和透明度数据航行区域是以路径起始点与终止点连线为对角线的矩形区域，从海洋环境数据库中提取在矩形区域范围内的声速跃层、温度跃层、密度跃层数据和透明度数据；步骤2、航行区域环境评估对航行区域内的跃层和透明度散点数据进行处理，跃层数据提取分类成禁航区、隐蔽区、危险区，透明度数据提取成暴露区，具体如下：(2.1)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中温度跃层点上界深度dtemp相比较，若dtemp<dAmax，提取该温度跃层点数据，归入隐蔽区的温度跃层文件中；(2.2)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中声速跃层点上界深度dsound相比较，若dsound<dAmax，提取该声速跃层点数据，归入隐蔽区的声速跃层文件中；若dAmax<dsound，提取该声速跃层点数据，归入危险区的声速跃层文件中；(2.3)提取自主式水下潜器航行区域中负密度跃层点数据归入禁航区的负密度跃层文件中；(2.4)水下潜器最大下潜深度为dAmax，用dAmax与跃层数据文件中透明度数据点上界深度dtransparency相比较，若dtransparency<dAmax，提取该透明度点数据，归入暴露区的透明度文件中；步骤3、将透明度和跃层离散点数据处理成多边形区域(3.1)将透明度或跃层点处于八个方向地理位置相邻的点聚堆，作为同一个要素块；(3.2)提取要素块四周的边缘点；(3.3)选取扫描基准点；(3.4)散点扫描排序，以基准原点p0为基准，按照极角从小到大将点排序，利用数学公式向量的外积模公式：|c|＝|a|×|b|×sin＜a,b＞＝a.x×b.y-b.x×a.y其中，a、b为同一个数据要素块中不同的要素点，a.x,b.x为要素点a,b经度坐标，a.y,b.y为要素点a,b纬度坐标；(3.5)按照极角顺序对边缘点进行graham扫描，每三个点为一个扫描单位，设一个扫描单位中的三个点分别为p1、p2、p3，当扫描到逆时针转p1、p2、p3时保留顶点p2，顺时针转p1、p2、p3时分以下几种情况：设均匀间隔网格数据间距为d0，p1点与p2点之间距离为d1，p2与p3点之间的距离为d2，p1、p2、p3的夹角为α；(1)如果且α>90°，则保留p2点；(2)α>45°，保留p2点；根据上述规则依次遍历所有的点，保留的点就是多边形的顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厂，雷宇宁，高峰，周学文，赵玉新，何忠杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23