【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航路规划，特别涉及一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法。
技术介绍
1、由于水下航行器在海洋勘探以及军事应用方面有着越来越重要的意义，各个国家都对水下航行器的研究十分重视并成立了专业的机构进行研究。水下航行器航路规划作为航行器能够安全高效完成任务的重要功能，从上个世纪七十年代起也受到了国内外众多学者的重视。在国外，有学者提出将人工势场法应用于水下航行器航路规划，其原理为将目标看作引力场，将障碍物看作斥力场，而根据两种力的合力即为水下航行器的航路，人工势场法可以有效地实现水下航行器的避障，并且规划速度也较快，但是容易陷入局部最优，从而无法找到最优的航路。
2、在国内，2005年顾国昌提出了一种基于区域分层的遗传模拟退火方法实现水下航行器航路规划，其用于规划的三维环境是用分层单元分解法表示的，并在此规划空间上利用遗传模拟退火方法实现航路规划，该方法有效地实现了大规模海洋环境中的航路规划，但算法的速度较慢。2008年祖伟提出了基于粒子群算法的水下潜器实时航路规划方法，该文章首先研究了参数设定对粒子群算法规划结果的影响，并提出了基于均衡分布参数的改进粒子群算法。其次提出一种十字链表结构用于存储规划空间中的障碍物。最后基于启发知识初始化群体，并引入交叉、删除算子并采用变长粒子、交叉变异的方法提高算法的速度和解的质量。王宏健在2008年提出了一种基于蚁群算法的水下航行器全局航路规划方法，设计了信息素的更新规则并给出了算法进行全局航路规划的步骤，并设计算子平滑航路。最终根据仿真实验可知，算法规划时间短，规划出
3、针对当前水下航路规划算法不能一次性得到多条备选航路的问题，因此本专利技术需要通过算法改进、对比分析找到了最优的算法，解决了实际任务规划中无人系统平台无法参与航路选择的难题，提供了一种“人机结合”的水下航路规划思路。
4、因此，有必要提供一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法解决上述技术问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法。
2、本专利技术提供的一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法，包括：海流场建模，海底地形、障碍物及威胁区的处理，航路规划算法改进设计，多航路规划方法设计，模拟海洋环境数据的算法验证，基于真实海洋环境数据的算法验证。
3、一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法，包括以下步骤：
4、s1、根据真实海洋环境数据的进行海洋环境建模，并完成海流场建模，海底地形、障碍物及威胁区的处理；
5、s2、根据改进的航路规划算法进行设计水下无人系统的航路；
6、s3、多次重复s2的流程，可进行多个航路规划，指挥员根据实际情况和经验在多个航路规划中进行选择，确认出备选航路；
7、s4、将多个航路规划代入到根据真实海洋环境数据的海洋环境建模中，对航路规划进行仿真验证，根据验证结果以及结合备选航路，确认出当前最适合的航路。
8、优选的，所述s1中海洋环境建模具体方法如下：规划空间为100×100×100的离散栅格网格，网格水平间距为0.03°×0.03°，垂向分层间隔1m，根据相应的环境地形，模拟仿真地形，得到三维海洋环境模型。
9、优选的，所述s1中海流场建模，海底地形、障碍物及威胁区的具体处理方法如下：海流场建模采用多个随机分布的点涡流和定向的潮流来模拟真实海流，进行三维海流场建模。
10、海底地形通过对所规划范围的水深数据进行插值处理后生成，用于约束auv的航行深度；
11、进行三维航路规划时，障碍物和威胁区采用圆柱形方法建模。
12、优选的，所述s2中改进的航路规划算法步骤如下：
13、step 1：初始化水平集函数，将水平集函数初始化为一个以起点为圆心，a为半径的圆形函数，初始化窄带宽度为b；
14、step 2：使水平集函数仅在窄带内进行演化，随着水平集函数的不断演化，零水平集曲线会逐渐的向窄带靠近直至超过窄带；
15、step 3:零水平集曲线到达窄带边缘，利用快速行进法进行重构水平集函数和窄带宽度，更新当前距离函数，从而更新窄带宽度；
16、step 4:判断零水平集曲线是否演化到终点，是则保存到达此终点前的所有零水平集曲线，否则转到step 2；
17、step 5:为得到唯一时间最优航路，从终点进行前向迭代找出每条零水平集曲线上的梯度方向点，直到起点，即可得到时间最优航路；
18、step 6:算法结束。
19、优选的，所述s3多个航路规划中提供一种较为安全但航行时间较长的航路的方法为：采用增加禁航区的方式进行多航路规划，设置禁航区，类似于一堵障碍墙，使得水下无人系统可以绕过航行区域中障碍物和威胁区到达目标点。
20、优选的，所述s3多个航路规划中提供一种较为快速但安全性较低的航路的方法为：设置禁航区，类似于一堵障碍墙，使得水下无人系统能够利用涡流到达目标点。
21、与相关技术相比较，本专利技术提供的一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法具有如下有益效果：
22、1、本专利技术通过使用改进水平集算法，在航路规划中，水平集算法是在规划中考虑海流速度，运行速度快，规划出的航路质量最好，并且能够充分利用海流，找到时间最优的航路。此外在单点到单点多航路规划中，水平集算法在稳定性方面更加优秀。最后在点对多点多航路规划中，水平算法只要起点不改变，就不需要重复调用算法，因此在运算速度方面更加优秀。因此在指挥员在实际的水下航路规划中使用时，水平集算法在规划出航路质量性，稳定性以及快速性比qpso算法，蚁群算法更加优秀。
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1.一种基于改进水平集算法的AUV多航路规划方法，其特征在于，括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于改进水平集算法的AUV多航路规划方法，其特征在于，所述S1中海洋环境建模具体方法如下：规划空间为100×100×100的离散栅格网格，网格水平间距为0.03°×0.03°，垂向分层间隔1m，根据相应的环境地形，模拟仿真地形，得到三维海洋环境模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进水平集算法的AUV多航路规划方法，其特征在于，所述S1中海流场建模，海底地形、障碍物及威胁区的具体处理方法如下：海流场建模采用多个随机分布的点涡流和定向的潮流来模拟真实海流，进行三维海流场建模；
4.根据权利要求1所述的一种基于改进水平集算法的AUV多航路规划方法，其特征在于，所述S2中改进的航路规划算法步骤如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于改进水平集算法的AUV多航路规划方法，其特征在于，所述S3多个航路规划中提供一种较为安全但航行时间较长的航路的方法为：采用增加禁航区的方式进行多航路规划，设置禁航区，类似于一堵障碍墙，使得水下无人系统可以
6.根据权利要求5所述的一种基于改进水平集算法的AUV多航路规划方法，其特征在于，所述S3多个航路规划中提供一种较为快速但安全性较低的航路的方法为：设置禁航区，类似于一堵障碍墙，使得水下无人系统能够利用涡流到达目标点。
...【技术特征摘要】
1.一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法，其特征在于，括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法，其特征在于，所述s1中海洋环境建模具体方法如下：规划空间为100×100×100的离散栅格网格，网格水平间距为0.03°×0.03°，垂向分层间隔1m，根据相应的环境地形，模拟仿真地形，得到三维海洋环境模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进水平集算法的auv多航路规划方法，其特征在于，所述s1中海流场建模，海底地形、障碍物及威胁区的具体处理方法如下：海流场建模采用多个随机分布的点涡流和定向的潮流来模拟真实海流，进行三维海流场建模；
4.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：张靖靖，周卫东，佘忠伦，杨硕，李博，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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