一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，包括步骤：一、构建水下无线传感器网络；二、判断水下航行器是否航行至工作水域位置；三、建立二维平面直角坐标系；四、随机产生初始杂草；五、计算初始杂草的适应度值；六、获取所有初始杂草的适应度值；七、计算初始杂草繁殖产生的种子数；八、确定初始杂草繁殖产生种子的分布位置；九、获取所有初始杂草首次繁殖的种子总数及分布位置；十、计算每一颗繁殖产生的种子的适应度值；十一、判断种群的数目是否超过最大种群个数；十二、对父辈杂草进行下一次繁殖；十三、建立三维平面直角坐标系并获取水下航行器航行位置。本发明专利技术定位导航准确性强，工作效率高，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法
本专利技术属于水下航行器导航定位
，具体涉及一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法。
技术介绍
高精度的水下导航与定位是航行器水下作业时必须面对的关键问题之一。而水下环境较陆地、空中更加复杂多变，目前水下航行器多用惯导系统作为主要导航设备，借助其他辅助设备抑制惯导系统导航误差的发散，从而实现组合导航，提高导航精度，水下导航与定位的目的就是使水下航行器获得较高的位置精度。超短基线水声定位系统由于其尺寸小，使用、维护方便，定位精度较高，而多与惯导系统结合，构成组合导航系统，但这种定位方式精度随航行器与信标之间的距离的增大而降低。同时，无论是哪种辅助导航设备，当惯导系统或辅助导航设备任何一方发生故障时，导航系统会因无法得到外部修正，导航误差会大幅度增加，导航精度会迅速降低，进而航行器会失去定位能力，甚至可能跑丢。因此，现如今缺少一种结构简单、成本低、设计合理的基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，利用已有的水声阵列，抑或重新布放，当航行器进入信标阵列后，对航行器实时位置进行定位，这些位置信息可以直接使用，从而在水下航行器导航系统故障时提供水下航行器的位置信息，将定位问题转化为最优化问题进行求解，兼顾了定位效率的同时，提高了定位精度，解决了水下航行器高成本作业问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，通过水下航行器进入信标监测区域后实时地收、发信号，与位置已知的信标进行信息交互，利用入侵杂草算法，计算出水下航行器的实时位置，从而对水下航行器进行水下定位，摆脱水下航行器对惯性导航设备的依赖，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、构建水下无线传感器网络：将信标作为无线传感器网络的锚节点布放在水下航行器航行的工作水域位置，信标数量至少为三个且至少三个信标不在同一条直线上布放，每个信标处于同一深度，每个信标均与中心处理单元通信；步骤二、判断水下航行器是否航行至工作水域位置：水下航行器航行时通过航行控制器驱动换能器，采用无线收发模块发出无线探测信号，当处于工作水域位置内的信标接收到水下航行器信号时，说明水下航行器航行至工作水域位置，执行步骤三；当处于工作水域位置内的信标未接收到水下航行器信号时，说明水下航行器未航行至工作水域位置，信标与中心处理单元均处于休眠模式；步骤三、建立二维平面直角坐标系：采用中心处理单元建立二维平面直角坐标系，以水下航行器在至少三个信标所处平面的投影作为坐标原点建立二维平面直角坐标系O-xy；步骤四、随机产生N个初始杂草：采用中心处理单元在二维平面直角坐标系O-xy中随机产生N个初始杂草，N为正整数；步骤五、根据公式计算第k个初始杂草的适应度值fk(x,y)，其中，k为正整数且k≤N，M为信标的数量，(xi,yi)为第i个信标在二维平面直角坐标系O-xy中的坐标，(xk,yk)为第k个初始杂草在二维平面直角坐标系O-xy中的坐标，di为无线收发模块采集的第k个初始杂草与第i个信标之间的距离；步骤六、N次重复步骤五，分别获取N个初始杂草的适应度值；步骤七、根据公式计算第k个初始杂草繁殖产生的种子数，其中，fmin(x,y)为N个初始杂草中适应度最小值，fmax(x,y)为N个初始杂草中适应度最大值，Smax为杂草产生的最大种子数，Smin为杂草产生的最小种子数；步骤八、确定第k个初始杂草繁殖产生种子的分布位置：根据确定第k个初始杂草产生的第t个种子的位置，其中，iter为迭代次数，σiter为第iter次迭代种子的标准差且itermax为最大迭代次数，m为非线性调和指数且m＝3，σinitial为起始标准差，σfinal为终止标准差，t为正整数且t≤Nk；步骤九、N次重复步骤七至步骤八，分别获取N个初始杂草首次繁殖产生的种子总数NZ及分布位置，其中，步骤十、计算每一颗繁殖产生的种子的适应度值f1(x,y)，首次繁殖后形成首次种群，所述首次种群的数目为N个初始杂草和首次繁殖产生的种子总数NZ之和；步骤十一、判断种群的数目是否超过环境所能承载的最大种群个数Pmax：将种群中全部杂草与种子根据适应度值的不同，从小到大进行排序，适应度值小的排在前面，适应度值大的排在后面，当种群的数目超过环境所能承载的最大种群个数Pmax时，将前Pmax个杂草与种子作为下一次繁殖的父辈杂草，淘汰其余杂草与种子并执行步骤十二；当种群的数目未超过环境所能承载的最大种群个数Pmax时，将全部杂草与种子作为下一次繁殖的父辈杂草，执行步骤十二；步骤十二、对所述父辈杂草进行下一次生长繁殖：多次重复步骤七至步骤十一对父辈杂草进行多次生长繁殖，直至完成最大迭代次数，获取适应度最小值，最小适应度值对应的二维平面直角坐标系O-xy中坐标为当前水下航行器位于至少三个信标所处平面的位置；步骤十三、建立三维平面直角坐标系并获取水下航行器的航行位置：在二维平面直角坐标系O-xy的基础上，以水域深度为z轴建立三维平面直角坐标系O-xyz，通过深度计实时采集水下航行器航行深度位置，同时惯性测量单元输出水下航行器的实时航行信息，水下航行器的航行数据均存储在与航行控制器连接的存储器中。上述的一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于：步骤四中随机产生的初始杂草N取4～6。上述的一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于：步骤七中杂草产生的最大种子数Smax＝5，杂草产生的最小种子数Smin＝0。上述的一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于：步骤八中最大迭代次数itermax＝300，起始标准差σinitial为最大标准差且σinitial＝3，终止标准差σfinal为最小标准差且σfinal＝0.001。上述的一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于：步骤十一中最大种群个数Pmax＝50。上述的一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于：步骤十三中惯性测量单元包括用于记录水下航行器的姿态和速度信息的陀螺仪和加速度计。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术以水下航行器在至少三个信标所处平面的投影作为坐标原点建立二维平面直角坐标系O-xy，利用入侵杂草算法，计算出水下航行器的实时位置，将定位问题转化为最优化问题进行求解，由于将水下航行器的位置设定在原点位置，则计算出的最优解越靠近坐标原点精度越高，获取水下航行器位置越准确，同时将三维环境转换为二维环境，降低了求解难度，通过水下航行器自带的深度计建立三维环境，定位简单，获取水下航行器的航行位置效果好，成本低，便于推广使用。2、本专利技术通过对初始杂草以及初始杂草繁殖产生的种子进行适应度值计算，并对所有杂草与种子的适应度值进行从小到大排序，设定环境所能承载的最大种群个数，每繁殖一次判断种群中杂草与种子数量是否超过最大种群个数，避免无限大的计算杂草繁殖后产生种子的适应度值，减少中心处理单元的计算量，每繁殖一次均对新产生的种群中所有杂草与种子的适应度值进行从小到大排序，淘汰超过最大种群个数的适应度值中的大数，这种排序方式确定了前期查本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、构建水下无线传感器网络：将信标(2)作为无线传感器网络的锚节点布放在水下航行器(1)航行的工作水域位置，信标(2)数量至少为三个且至少三个信标(2)不在同一条直线上布放，每个信标(2)处于同一深度，每个信标(2)均与中心处理单元(3)通信；步骤二、判断水下航行器是否航行至工作水域位置：水下航行器(1)航行时通过航行控制器(1‑3)驱动换能器(1‑6)，采用无线收发模块(1‑7)发出无线探测信号，当处于工作水域位置内的信标(2)接收到水下航行器(1)信号时，说明水下航行器(1)航行至工作水域位置，执行步骤三；当处于工作水域位置内的信标(2)未接收到水下航行器(1)信号时，说明水下航行器(1)未航行至工作水域位置，信标(2)与中心处理单元(3)均处于休眠模式；步骤三、建立二维平面直角坐标系：采用中心处理单元(3)建立二维平面直角坐标系，以水下航行器(1)在至少三个信标(2)所处平面的投影作为坐标原点建立二维平面直角坐标系O‑xy；步骤四、随机产生N个初始杂草：采用中心处理单元(3)在二维平面直角坐标系O‑xy中随机产生N个初始杂草，N为正整数；步骤五、根据公式...

【技术特征摘要】
1.一种基于入侵杂草算法的水下航行器定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、构建水下无线传感器网络：将信标(2)作为无线传感器网络的锚节点布放在水下航行器(1)航行的工作水域位置，信标(2)数量至少为三个且至少三个信标(2)不在同一条直线上布放，每个信标(2)处于同一深度，每个信标(2)均与中心处理单元(3)通信；步骤二、判断水下航行器是否航行至工作水域位置：水下航行器(1)航行时通过航行控制器(1-3)驱动换能器(1-6)，采用无线收发模块(1-7)发出无线探测信号，当处于工作水域位置内的信标(2)接收到水下航行器(1)信号时，说明水下航行器(1)航行至工作水域位置，执行步骤三；当处于工作水域位置内的信标(2)未接收到水下航行器(1)信号时，说明水下航行器(1)未航行至工作水域位置，信标(2)与中心处理单元(3)均处于休眠模式；步骤三、建立二维平面直角坐标系：采用中心处理单元(3)建立二维平面直角坐标系，以水下航行器(1)在至少三个信标(2)所处平面的投影作为坐标原点建立二维平面直角坐标系O-xy；步骤四、随机产生N个初始杂草：采用中心处理单元(3)在二维平面直角坐标系O-xy中随机产生N个初始杂草，N为正整数；步骤五、根据公式计算第k个初始杂草的适应度值fk(x,y)，其中，k为正整数且k≤N，M为信标(2)的数量，(xi,yi)为第i个信标(2)在二维平面直角坐标系O-xy中的坐标，(xk,yk)为第k个初始杂草在二维平面直角坐标系O-xy中的坐标，di为无线收发模块(1-7)采集的第k个初始杂草与第i个信标(2)之间的距离；步骤六、N次重复步骤五，分别获取N个初始杂草的适应度值；步骤七、根据公式计算第k个初始杂草繁殖产生的种子数，其中，fmin(x,y)为N个初始杂草中适应度最小值，fmax(x,y)为N个初始杂草中适应度最大值，Smax为杂草产生的最大种子数，Smin为杂草产生的最小种子数；步骤八、确定第k个初始杂草繁殖产生种子的分布位置：根据确定第k个初始杂草产生的第t个种子的位置，其中，iter为迭代次数，σiter为第iter次迭代种子的标准差且itermax为最大迭代次数，m为非线性调和指数且m＝3，σinitial为起始标准差，σfinal为终止标准差，t为正整数且t≤Nk；步骤九、N次重复步骤七至步骤八，分别获取N个初始杂草首次繁殖产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：高沛林，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61