基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的方法技术

一种基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的方法，包括：对航行区域内的重力异常数据与海底地形数据进行处理，划分出可通行区域与不可通行区域；基于可通行区域，以起始点作为随机树的根节点，通过在搜索空间中随机采样逐渐扩展树，当叶节点扩展至目标点或目标区域，就得到了一条由随机树的边组成的从起始点到目标点之间的路径；当找到第一条连接起始点和目标点的路径后，通过继续拓展节点寻找使路径成本更低的中间节点，获取最优路径。本发明专利技术重选父节点过程中通过对邻近节点的祖先节点按深度次序分层筛选，能够显著减少待选的父节点验证数目与碰撞检测次数，进而加快了随机树的扩展速度与收敛速度。随机树的扩展速度与收敛速度。随机树的扩展速度与收敛速度。

【技术实现步骤摘要】
基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的方法


[0001]本专利技术涉及水下导航学、海洋测绘学等交叉
，特别涉及一种基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的方法。

技术介绍

[0002]水下重力辅助导航能够利用重力特征信息修正惯性导航系统的累积误差来提供精确的位置信息，重力辅助导航的匹配定位效果与所处区域的重力场特征密切相关。合理规划路径使航线始终处于重力适配区对提高重力辅助导航系统的定位精度具有重要作用。
[0003]快速探索随机树(RRT)是一种基于采样的路径规划算法，其结构简单且具有概率完备性，适于解决复杂环境的路径规划问题。RRT*算法增加了重选父节点和重新布线过程，因而找到的路径解具备最优性。Q
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RRT*算法在RRT*算法的基础上，父节点选择范围加入了超球体中的邻近节点的祖先节点，能够在找到路径成本更低的初始路径。但RRT*算法和Q
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RRT*算法的求解速度均受超球体半径的影响，随着半径的增大，超球体中的节点数呈指数增长，计算时间也更长。并且，由于搜索空间中随机采样的原理特性，在遇到障碍区域较多的狭窄通道时，会产生搜索时间较长、收敛速度较慢的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了水下重力辅助导航路径规划效率问题。
[0005]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0006]一种基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的方法，包括：
[0007]对航行区域内的重力异常数据与海底地形数据进行处理，划分出可通行区域与不可通行区域；
[0008]基于可通行区域，以起始点作为随机树的根节点，通过在搜索空间中随机采样逐渐扩展树，当叶节点扩展至目标点或目标区域，就得到了一条由随机树的边组成的从起始点到目标点之间的路径；
[0009]当找到第一条连接起始点和目标点的路径后，通过继续拓展节点寻找使路径成本更低的中间节点，获取最优路径。
[0010]优选的，采样时，采用了目标偏向思想，利用目标点控制随机树的生长方向。
[0011]优选的，深度排序快速搜索法通过将Q
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RRT*算法中的节点按深度次序分层筛选，以减少选取过程中路径成本计算次数与碰撞检测次数。
[0012]优选的，深度排序快速搜索法中，对某一新节点，该新节点待选的父节点集合里仅保留能够使该新节点小于当前的路径成本且与该新节点之间的航线不可通行的节点的所有后代节点。
[0013]优选的，深度排序快速搜索法中，仅当某一路径成本小于当前值且碰撞检测为不可通行时才继续挖掘深度更小的新父节点。
[0014]优选的，基于单一特征参数重力异常标准差对重力辅助导航适配区与非适配区进行划分，规划的航线只能经由该区域到达目的地。
[0015]优选的，利用祖先节点与其后代节点的路径成本关系，通过对祖先节点按深度排序来减少节点计算量。
[0016]优选的，当连续M次路径成本保持为固定值时停止拓展，结束路径规划。
[0017]优选的，通过对待选节点进行深度排序减少重选父节点过程与重新布线过程的节点计算数目，进而加快随机树的扩展速度。
[0018]一种基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的系统，包括：
[0019]重力适配区划分模块，对航行区域内的重力异常数据与海底地形数据进行处理，划分出可通行区域与不可通行区域；
[0020]路径生成与优化模块，基于可通行区域以起始点作为随机树的根节点，通过在搜索空间中随机采样逐渐扩展树，当叶节点扩展至目标点或目标区域，就得到了一条由随机树的边组成的从起始点到目标点之间的路径；当找到第一条连接起始点和目标点的路径后，通过继续拓展节点寻找使路径成本更低的中间节点，获取最优路径。
[0021]本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：
[0022](1)本专利技术重选父节点过程中通过对邻近节点的祖先节点按深度次序分层筛选，能够显著减少待选的父节点验证数目与碰撞检测次数，进而加快了随机树的扩展速度与收敛速度。
[0023](2)本专利技术重新布线过程中通过对新拓展节点及其祖先节点进行深度排序，较大程度地减少了路径成本计算次数和碰撞检测次数，有效提高了重新布线过程的计算速度。
[0024](3)本专利技术将水下重力辅助导航的最优航线规划问题转换为将重力非适配区作为障碍的全局路径规划问题，通过结合重力适配性分布图可以实现对水下潜器航行路径的合理规划，使其一直处于重力适配区避开非适配区，从而保障重力辅助导航的定位成功率与定位精度。
[0025](4)本专利技术减少了路径规划算法的运行时间和收敛到最优解的速度，提升了水下重力辅助导航的路径规划效率。
附图说明
[0026]图1为重力适配性分布理论图；
[0027]图2为危险区域分布图；
[0028]图3为重力适配性分布图；
[0029]图4为重选父节点过程的路径成本计算次数；
[0030]图5为参与路径成本计算的节点示意图；图5a为Q
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RRT*重选父节点算法的节点示意图；图5b为DSFS重选父节点算法的节点示意图；
[0031]图6为重选父节点过程的碰撞检测次数；
[0032]图7为重选父节点过程的计算时长；
[0033]图8为重新布线过程的路径成本计算次数；
[0034]图9为重新布线过程的碰撞检测次数；
[0035]图10为重新布线过程计算时长；
[0036]图11为Q
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RRT*算法与DSFS算法重选父节点过程和重新布线过程的路径成本计算次数；
[0037]图12为Q
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RRT*算法与DSFS算法的路径成本计算总次数；
[0038]图13为重选父节点过程与重新布线过程中的碰撞检测次数；
[0039]图14为Q
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RRT*与DSFS算法的碰撞检测总次数；
[0040]图15为重选父节点过程与重新布线过程的计算总时长；
[0041]图16为水下重力辅助导航DSFS路径规划系统得到的路径。
具体实施方式
[0042]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。
[0043]本专利技术针对水下重力辅助导航进行航线规划，为进一步提高Q
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RRT*算法的规划效率，依据随机树拓展过程中祖先节点与其后代节点的路径成本不等式关系提出新型深度排序快速搜索法，通过对待选节点进行深度排序减少重选父节点过程与重新布线过程的节点计算数目，进而加快随机树的扩展速度，有效减少规划算法的运行时间，并基于重力适配性分布图进行航迹规划仿真，验证了该算法对规划效率提升的有效性。
[0044]基于新型深度排序快速搜索法的水下重力辅助导航路径规划方法，包括：
[0045]设为规划空间，d本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于深度排序快速搜索提高水下导航路径规划效率的方法，其特征在于，包括：对航行区域内的重力异常数据与海底地形数据进行处理，划分出可通行区域与不可通行区域；基于可通行区域，以起始点作为随机树的根节点，通过在搜索空间中随机采样逐渐扩展树，当叶节点扩展至目标点或目标区域，就得到了一条由随机树的边组成的从起始点到目标点之间的路径；当找到第一条连接起始点和目标点的路径后，通过继续拓展节点寻找使路径成本更低的中间节点，获取最优路径。2.根据权利要求1所述的提高水下导航路径规划效率的方法，其特征在于，采样时，采用了目标偏向思想，利用目标点控制随机树的生长方向。3.根据权利要求1所述的提高水下导航路径规划效率的方法，其特征在于，深度排序快速搜索法通过将Q
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RRT*算法中的节点按深度次序分层筛选，以减少选取过程中路径成本计算次数与碰撞检测次数。4.根据权利要求3所述的提高水下导航路径规划效率的方法，其特征在于，深度排序快速搜索法中，对某一新节点，该新节点待选的父节点集合里仅保留能够使该新节点小于当前的路径成本且与该新节点之间的航线不可通行的节点的所有后代节点。5.根据权利要求3所述的提高水下导航路径规划效率的方法，其特征在于，深度排序快速搜索法中，仅当某一路径成本小于当前值且碰撞检测为不可通行时才继续挖掘深度更小的新父...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，李钊伟，周小葱，
申请(专利权)人：中国航天科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：