一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法，令水下航行器群同时入水，后以同样的加速度达到巡航速度并保持该巡航速度直至下潜到目标水平面，此时使用改进后的Dubins曲线方法进行路径规划，最终达到集群编队生成的目的。使用本发明专利技术的路径规划方法可以在不改变速度的情况下使得所有航行器同时到达指定目的地，达到编队生成的目的。大大降低了水下航行器集群编队生成过程中对每个航行器速度进行监控调整的需求，从而极大提高了水下航行器编队生成的效率，因此可以广泛在工程上应用于解决编队生成的实际问题。上应用于解决编队生成的实际问题。上应用于解决编队生成的实际问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法


[0001]本专利技术属于水下航行器编队生成领域，涉及一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法。

技术介绍

[0002]水下自主航行器由于具有高机动性、高稳定性、高续航性的优点，被广泛应用于执行海洋任务。随着水下探测需求的提高，近年来单体航行器已经不能满足人们的需要，因此水下航行器编队成为一个热门的研究方向。
[0003]随着科学技术的发展，自主水下航行器在编队生成的时候，需要根据目的地的不同随时调整速度，以期望同时达到需要到达的位置。但是就水下航行器而言，它的速度调整范围有限，如果仅通过考虑速度的调整无法达到理想编队生成的效果。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法，不需要随时对速度进行调整，直接让所有航行器同时达到巡航速度，再通过改进Dubins曲线进行路径规划，使编队生成达到较为理想的效果。
[0006]技术方案
[0007]一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：所有参与编队的水下航行器同时入水，以以相同的速度方向、相同的加速度加速至巡航速度v，使得各水下航行器下潜的的航迹长度相等且位于同一平面；
[0009]步骤2：将水下航行器以巡航速度v进行螺旋下降，下降至与需到达的目的地同一高度的水平面，计算航行器延圆柱螺旋下降的航迹长度x1；
[0010]步骤3：将航行器的路径规划转为二维平面上的路径规划，以改进Dubins曲线进行路径规划，计算出此时的最短航迹长度X
m
和最长航迹长度X
M
，
[0011]步骤3
‑
1：以航行器为一质点，转化到二维平面上来，其位置为O(0，0)，目的地位置为O
e
(x
e
，y
e
)，边界位置为x＝
‑
b，记最小转弯圆的圆心应为O
r
(x
r
，y
e
‑
r)；
[0012]步骤3
‑
2：最小转弯圆的圆心与目的地所在位置为的横坐标之差的绝对值为：
[0013]x＝x
e
‑
x
r
，x≥0
[0014]步骤3
‑
3：
[0015]最短航迹X
m
：当x
e
≥x≥0时，航行器直接朝着目的地出发，而后再直线行驶，此时最短航迹X
m
为：
[0016][0017]最长航迹X
M
：当x
e
+b≥x＞x
e
时，航行器先朝着远离目的地的方向出发，再向着目的地直线行驶，最长航迹X
M
为：
[0018][0019]步骤4：计算最小转弯圆圆心坐标，给定航迹长度在最短航迹与最长航迹之间即X
m
≤X≤X
M
：
[0020]步骤4
‑
1：令以(x
r
，y
r
)为圆心，r为最小转弯半径，计算此时的航迹长度X2；
[0021]步骤4
‑
2：以给定的航迹长度与计算所得的航迹长度作差，作为判定是否满足航行器达到目的地的要求：
[0022]|X
‑
X2|≤ε
[0023]其中：ε为给定精度；
[0024]满足步骤4
‑
2的要求时的(x
r
，y
r
)为最小转弯圆的圆心坐标；
[0025]步骤5：以给定初始位置(x0，y0，z0)、到达的位置(x
e
，y
e
，z
e
)和最小转弯圆的圆心坐标(x
r
，y
r
，z
r
)，得到每一个水下航行器的运动轨迹图。
[0026]所述步骤2计算航行器延圆柱螺旋下降的航迹长度x1是：
[0027][0028]其中航行器的俯仰角航行器下降的圈数r为圆柱的底面半径，即航行器的最小转弯半径，L为圆柱螺线的螺距；航行器的起始位置为(x0，y0，z0)，目的地位置为(x
e
，y
e
，z
e
)。
[0029]有益效果
[0030]本专利技术提出的一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法，让水下航行器均同时入水，当以相同速度达到巡航速度后，继续以巡航速度下潜至目标水平面，再用改进后的Dubins曲线进行路径规划，进而达到编队生成的目的。本专利技术不需要随时对速度进行调整，直接让所有航行器同时达到巡航速度，使用该路径规划方法可以在不改变速度的情况下，就可以让所有的航行器同时到达相应的位置，完成编队的生成。同时，该方法极大提高了水下航行器编队生成的效率，因此可以广泛在工程上应用于解决编队生成的实际问题。
附图说明
[0031]图1：流程图
[0032]图2：三维航迹规划图
[0033]图3：基于Dubins曲线的最短航迹图
[0034]图4：改进Dubins曲线的最长航迹图
[0035]图5：改进Dubins曲线的定长航迹图
具体实施方式
[0036]现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：
[0037]本方案的技术方案是：让水下航行器均同时入水，当以相同速度达到巡航速度后，继续以巡航速度下潜至目标水平面，再用改进后的Dubins曲线进行路径规划，进而达到编队生成的目的，该方案主要有五个步骤：
[0038]基于改进Dubins曲线的水下航行器编队生成的方法，其特征如下：
[0039]步骤1：各水下航行器自入水点开始以相同的速度方向，以及相同的加速度加速至巡航速度v，此时各架水下航行器下潜的的航迹长度相等且位于同一平面；
[0040]步骤2：水下航行器螺旋下降至与需到达的目的地同一高度的水平面，水下航行器以巡航速度v进行螺旋下降，计算航行器延圆柱螺旋下降的航迹长度x1；
[0041]步骤2
‑
1：计算航行器的俯仰角θ：
[0042][0043]r为圆柱的底面半径，即航行器的最小转弯半径；
[0044]步骤2
‑
2：计算航行器下降的圈数：
[0045][0046]L为圆柱螺线的螺距；航行器的起始位置为(x0，y0，z0)，目的地位置为(x
e
，y
e
，z
e
)。
[0047]步骤2
‑
3：计算航行器延圆柱螺旋下降的航迹长度X1：
[0048][0049]步骤3：航行器到达本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进Dubins曲线的水下航行器编队方法，其特征在于步骤如下：步骤1：所有参与编队的水下航行器同时入水，以以相同的速度方向、相同的加速度加速至巡航速度v，使得各水下航行器下潜的的航迹长度相等且位于同一平面；步骤2：将水下航行器以巡航速度v进行螺旋下降，下降至与需到达的目的地同一高度的水平面，计算航行器延圆柱螺旋下降的航迹长度x1；步骤3：将航行器的路径规划转为二维平面上的路径规划，以改进Dubins曲线进行路径规划，计算出此时的最短航迹长度X
m
和最长航迹长度X
M
，步骤3
‑
1：以航行器为一质点，转化到二维平面上来，其位置为O(0,0)，目的地位置为O
e
(x
e
,y
e
)，边界位置为x＝
‑
b，记最小转弯圆的圆心应为O
r
(x
r
,y
e
‑
r)；步骤3
‑
2：最小转弯圆的圆心与目的地所在位置为的横坐标之差的绝对值为：x＝x
e
‑
x
r
，x≥0步骤3
‑
3：最短航迹X
m
：当x
e
≥x≥0时，航行器直接朝着目的地出发，而后再直线行驶，此时最短航迹X
m
为：最长航迹X
M
：当x
e
+b≥x>x
e
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘禄，李家宝，张立川，潘光，张硕，
申请(专利权)人：西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：