一种海上集群感知任务轨迹设计方法及计算机可读介质技术

本发明专利技术提出了一种海上集群感知任务轨迹设计方法及计算机可读介质，方法包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种海上集群感知任务轨迹设计方法及计算机可读介质


[0001]本专利技术涉及海上集群系统控制
，尤其涉及一种海上集群感知任务轨迹设计方法及计算机可读介质
。

技术介绍

[0002]为提升对资源的捕捞开发和搜救任务中对人员设备节点搜救打捞的效率，首先需要派出船只设备到任务海域对目标节点可能位置进行感知，在感知到人员
、
设备节点的精确位置后，再对其进行打捞或救援
。
因此，为提升打捞开发以及人员救援的效率，如何有效地对目标节点进行感知是一个关键性问题，尤其是考虑到感知任务的紧急性和经济性，降低感知成本的同时需要提升感知成功的概率
。
随着无人智能技术的发展，利用母船携带海上无人单元前往目标海域对目标进行感知成为一种有效的解决策略，可以综合母船的运载和续航能力和单元的高灵活性及低成本的特点
。
[0003]考虑到集群在移动性方面的优势，通过设计集群的感知任务轨迹，可以显著提升感知成功率
。
然而在实际中，集群的轨迹为连续时间上的无数个位置变量，现有的集群轨迹设计算法存在着复杂度极高和性能差的缺陷，考虑到小型单元的硬件性能不足，无法基于现有算法快速实时地计算自身的轨迹
。
因此，开发一种海上集群感知任务轨迹设计方法及计算机可读介质，提升目标感知的成功率，降低集群协同控制的难度，是非常有必要的
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种实时
、
高效计算集群轨迹位置和速度，提升感知成功率的海上集群感知任务轨迹设计方法及计算机可读介质
。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术提供了一种海上集群感知任务轨迹设计方法，包括如下步骤：
S1
：构建需要打捞目标的速度大小和方向的概率密度函数，并构建打捞目标不同时刻位置分布的概率密度函数的递推关系，根据该递推关系和打捞目标初始时刻位置分布的概率密度函数，计算打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数；
S2
：结合母船的起点
、
终点和固定单元的投放位置定义的母船的轨迹点集合，利用最优间续悬浮结构构建母船和固定单元在任意时刻的位置计算公式；
S3
：根据打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数和母船的轨迹点集合得到任意时刻感知成功率计算公式和感知任务成功率的闭式表达；定义集群感知任务轨迹设计问题的优化目标和约束，建立集群感知任务轨迹设计优化问题；
S4
：迭代求解集群感知任务轨迹设计优化问题，得到最优的集群感知任务轨迹
。
[0006]在以上技术方案的基础上，优选的，步骤
S1
中所述的构建需要打捞目标的速度大小和方向的概率密度函数，并构建打捞目标不同时刻位置分布的概率密度函数的递推关系，是令为打捞目标速度大小，为打捞目标速度方向，打捞目标速度大小的概率密度函数为；打捞目标的速度方向的概率密度函数为；构建打捞目标前后时刻位置分
布的概率密度函数的递推关系如下：，其中为打捞目标在第
n
时刻位置分布的概率密度函数；为打捞目标在第
n
‑1时刻位置分布的概率密度函数；为打捞目标第
n
时刻位置的横坐标，为打捞目标第
n
时刻位置的纵坐标，为打捞目标第
n
‑1时刻位置的横坐标，为打捞目标第
n
‑1时刻位置的纵坐标；为位置判决函数，其定义为：；其中为时隙间隔
。
[0007]优选的，步骤
S1
中所述的根据该递推关系和打捞目标初始时刻位置分布的概率密度函数，计算打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数，是令打捞目标初始时刻位置分布的概率密度函数为，为目标初始时刻位置的横坐标，为目标初始时刻位置的纵坐标；则打捞目标任意时刻
t
位置分布的概率密度函数为：
。
[0008]优选的，步骤
S2
中所述结合母船的起点
、
终点和固定单元的投放位置定义的母船的轨迹点集合，利用最优间续悬浮结构构建母船和固定单元在任意时刻的位置计算公式，是首先对固定单元的投放位置定义如下：其中为第
k
个固定单元的投放位置，
K
为固定单元的数量，为第
k
个固定单元的投放位置的横坐标，为第
k
个固定单元的投放位置的纵坐标；令母船的轨迹点集合定义如下：，其中为母船的轨迹点集合，为母船的起点，为母船的终点，为母船第
k
个轨迹点，满足；基于最优间续悬浮结构，是令母船的感知轨迹被定义在固定单元投放位置悬浮时间
T
，并在轨迹点间以最大速度
V
航行的路径；则构建母船在任意时刻的位置计算公式为： ，其中为母船在任意时刻
t
的位置，为母船第
i
个轨迹点，由公式计算；构建固定单元在任意时刻的位置计算公式为：
，其中表示第
k
个固定单元在任意时刻
t
的位置，表示该固定单元还未部署，为给定的任务时间
。
[0009]优选的，步骤
S3
中所述根据打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数和母船的轨迹点集合得到任意时刻感知成功率计算公式和感知任务成功率的闭式表达，是令任意时刻
t
的感知成功率的计算公式为：，其中为感知判决函数，用来判断在
t
时刻处于潜在位置（
x,y
）的打捞目标是否在母船和固定单元的感知范围内，感知判决函数的定义为，其中为母船感知半径，为固定单元感知半径；所述感知任务成功率的闭式表达为：，其中为感知任务成功率
。
[0010]优选的，步骤
S3
中定义集群感知任务轨迹设计问题的优化目标和约束，建立集群感知任务轨迹设计优化问题，是定义集群感知任务轨迹设计问题的优化目标为：，公式表示优化变量为母船的轨迹点集合，优化目标的最大化感知成功率；集群感知任务轨迹设计问题的约束定义为：，其含义为集群感知任务的工作时间小于预设的给定的任务时间；将集群感知任务轨迹设计优化问题建立为：，
。
[0011]优选的，步骤
S4
中所述的迭代求解集群感知任务轨迹设计优化问题，得到最优的集群感知任务轨迹，是提出一种改进粒子群算法求解集群感知任务轨迹设计优化问题；改进粒子群算法包括如下步骤：初始化
N
个粒子的初始位置和初始速度，计算粒子的适应度；根据迭代中每个粒子的适应度，确定每一次迭代中的个体极值和群体极值；更新粒子的位置和速度；并判断迭代是否停止并输出集群感知任务轨迹设计优化问题的最优解
。
[0012]优选的，所述初始化
N
个粒子的初始位置和初始速度，计算粒子的适应度；根据迭代中每个粒子的适应度，确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种海上集群感知任务轨迹设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
：构建需要打捞目标的速度大小和方向的概率密度函数，并构建打捞目标不同时刻位置分布的概率密度函数的递推关系，根据该递推关系和打捞目标初始时刻位置分布的概率密度函数，计算打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数；
S2
：结合母船的起点
、
终点和固定单元的投放位置定义的母船的轨迹点集合，利用最优间续悬浮结构构建母船和固定单元在任意时刻的位置计算公式；
S3
：根据打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数和母船的轨迹点集合得到任意时刻感知成功率计算公式和感知任务成功率的闭式表达；定义集群感知任务轨迹设计问题的优化目标和约束，建立集群感知任务轨迹设计优化问题；
S4
：迭代求解集群感知任务轨迹设计优化问题，得到最优的集群感知任务轨迹
。2.
根据权利要求1所述的一种海上集群感知任务轨迹设计方法，其特征在于，步骤
S1
中所述的构建需要打捞目标的速度大小和方向的概率密度函数，并构建打捞目标不同时刻位置分布的概率密度函数的递推关系，是令为打捞目标速度大小，为打捞目标速度方向，打捞目标速度大小的概率密度函数为；打捞目标的速度方向的概率密度函数为；构建打捞目标前后时刻位置分布的概率密度函数的递推关系如下：，其中为打捞目标在第
n
时刻位置分布的概率密度函数；为打捞目标在第
n
‑1时刻位置分布的概率密度函数；为打捞目标第
n
时刻位置的横坐标，为打捞目标第
n
时刻位置的纵坐标，为打捞目标第
n
‑1时刻位置的横坐标，为打捞目标第
n
‑1时刻位置的纵坐标；为位置判决函数，其定义为：；其中为时隙间隔
。3.
根据权利要求2所述的一种海上集群感知任务轨迹设计方法，其特征在于，步骤
S1
中所述的根据该递推关系和打捞目标初始时刻位置分布的概率密度函数，计算打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数，是令打捞目标初始时刻位置分布的概率密度函数为，为目标初始时刻位置的横坐标，为目标初始时刻位置的纵坐标；则打捞目标任意时刻
t
位置分布的概率密度函数为：
。4.
根据权利要求3所述的一种海上集群感知任务轨迹设计方法，其特征在于，步骤
S2
中所述结合母船的起点
、
终点和固定单元的投放位置定义的母船的轨迹点集合，利用最优间续悬浮结构构建母船和固定单元在任意时刻的位置计算公式，是首先对固定单元的投放位置定义如下：其中为第
k
个固定单元的投放位置，
K
为固定单元的数量，为第
k
个固定单元的投放位置的横坐标，为第
k
个固定单元的投放位置
的纵坐标；令母船的轨迹点集合定义如下：，其中为母船的轨迹点集合，为母船的起点，为母船的终点，为母船第
k
个轨迹点，满足；基于最优间续悬浮结构，是令母船的感知轨迹被定义在固定单元投放位置悬浮时间
T
，并在轨迹点间以最大速度
V
航行的路径；则构建母船在任意时刻的位置计算公式为： ，其中为母船在任意时刻
t
的位置，为母船第
i
个轨迹点，由公式计算；构建固定单元在任意时刻的位置计算公式为：，其中表示第
k
个固定单元在任意时刻
t
的位置，表示该固定单元还未部署，为给定的任务时间
。5.
根据权利要求4所述的一种海上集群感知任务轨迹设计方法，其特征在于，步骤
S3
中所述根据打捞目标任意时刻位置分布的概率密度函数和母船的轨迹点集合得到任意时刻感知成功率计算公式和感知任务成功率的闭式表达，是令任意时刻
t
的感知成功率的计算公式为：，其中为感知判决函数，用来判断在
t
时刻处于潜在位置（
x,y
）的打捞目标是否在母船和固定单元的感知范围内，感知判决函数的定义为，其中为母船感知半径，为固定单元感知半径；所述感知任务成功率的闭式表达为：，其中为感知任务成功率
。6.
根据权利要求5所述的一种海上集群感知任务轨迹设计方法，其特征在于，步骤

【专利技术属性】
技术研发人员：张煜，蔡玄，陈虎，吴恒亮，游卓，宋清华，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：