【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于uuv水下回收路径规划领域，具体涉及一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法、系统及设备。
技术介绍
1、uuv(无人潜航器或潜载无人水下航行器，英文名unmanned underwater vehicle)一般携带能源在水下执行任务，完成任务后再通过回收进行能源补充以及其它操作,uuv自主回收的过程叫回坞。uuv回收方式分为水面母船回收和水下对接回收，水下回收中的水下潜器回收具有不受水域限制、海面天气影响小、隐蔽性强的优点，因此水下潜器回收成为目前国内外uuv回收研究的热点。
2、uuv路径规划是根据水域环境信息，在一定条件约束下搜索出一条从指定起点到终点且不与障碍物发生碰撞的最优路径(或次优路径)。uuv的实际弹道一般是在静态路径规划的基础上，通过航行过程中传感器实时检测进行动态避障而实现。可见路径规划是uuv安全航行并完成各项任务的重要保障。
3、路径规划主要分为全局路径规划和局部路径规划，目前关于全局路径优化的算法研究有许多，如a*算法、粒子群算法和遗传算法等，还有一些改进的算法。相比于其他算法，遗传算法具有良好的静态搜索能力和良好的进化能力，但是在进化过程中，如图1所示，传统的遗传算法的变异会随机产生新个体，使算法可能陷入局部最优的陷阱，除此之外，由于遗传算法通常配合栅格法进行路径规划，所得的最优路径实质是栅格环境下的最优路径，这并不符合水下回收路径规划中路径最短的要求，同时可能会出现uuv自身机动性能与最优路径向冲突的问题。
技术实现思路p>
1、为了解决现有路径规划方法不符合水下回收路径规划中路径最短的要求，同时可能会出现uuv自身机动性能与最优路径向冲突的问题，本专利技术提供了一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法、系统及设备。首先改进了遗传算法的变异操作，控制遗传算法在迭代过程中根据当下进化阶段考虑的问题不同而进行复合型的自适应的进化，从而解决陷入局部最优解的问题，并有效地提高了算法的收敛速度；其次在环境建模的过程中不用栅格法进行网格划分，使路径规划没有网格选择的限制；最后针对uuv的机动性限制，结合自由坐标建模在路径规划中提出了路长约束和航向角约束，使路径规划结果更具有实用性。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，包括以下步骤：
4、接收uuv发送的回收指令及uuv所在位置信息，并向uuv发送潜艇的回收位置坐标和uuv最终对接回收的位置坐标；
5、根据uuv发送的回收指令、uuv所在位置信息及潜艇的回收位置坐标和uuv最终对接回收的位置坐标，拟定uuv回归至潜艇尾部目标回收位置附近扰流区内某点处的位置坐标，以该位置作为回收路径规划的终点位置，以uuv当前所在位置作为回收路径规划的起点位置；
6、对潜艇及uuv所在海域的障碍物进行圆化处理，构建二维环境模型；
7、将路长约束和航向角约束作为uuv回收路径规划的约束性条件，基于二维环境模型、uuv回收路径规划的终点位置、起点位置及约束性条件，采用具有自适应的变异运算策略的遗传算法进行水域中的回收路径规划，迭代终止后生成最终的回收路径。
8、优选地，采用二维平面上的坐标建模方法构建二维环境模型，具体为：
9、以潜艇的航行方向作为x轴，垂直方向作为y轴，对海域中的固定障碍物作圆化处理，再对障碍物圆进行膨化处理，在障碍物的半径上加上一个安全阈值dsec。
10、优选地，所述uuv回收路径规划的约束性条件包括路长约束和航向角约束；
11、路长约束是每一路径阶段路长基因的上下限约束：li∈[lmin,lmax]，其中，lmax为路长约束中的上限长度，lmin为路长约束中的下限长度；路长的上下限约束与回收路径规划的始末位置有关，设uuv回归阶段的始末位置间的直线距离为dab，每一路径阶段的路长基准d设置如式(1)所示，lmin,lmax的大小与d成比例，d的计算式如下：
12、
13、其中，n是回归路径阶段总数；
14、航向角约束是对每一阶段航向基因的上下限约束进行设定，某一阶段航向角应在上一阶段航向角左右转向α的范围内：δθ∈[-α,α]，航向角约束中α与最小回转半径r和路长约束中的下限lmin长度相关。
15、优选地，回收路径由许多个路径阶段连接组成，一条可行路径的染色体组成为[n个航向角基因，n个位移基因]，遗传算法的路径种群表示如下：
16、
17、相应个体表示为：
18、
19、其中，k是进化代数，k∈[1,gmax]；gmax是种群目标迭代代数；n是回收路径阶段总数；m是种群规模；是个体，即一条回收路径；θ是某一阶段的航向；l是某一阶段路长；j是个体的序号；i是回收路径的第i个阶段。
20、优选地，所述采用具有自适应的变异运算策略的遗传算法进行水域中的回收路径规划，所述自适应的变异策略如下：
21、
22、其中，a1和a2均为变异幅度，通常取常数；d1和d2均为航向和路长的方向控制项，d1＝±1,d2＝±1；λ(i)为基因位控制项；δ(k)为遗传代数控制项；rand表示[0,1]范围内的随机实数；k是进化代数，n是回归路径阶段总数；m是种群规模；是个体，即一条回归路径；θ是某一阶段的航向；l是某一阶段路长；j是个体的序号；i是回归路径的第i个阶段。
23、优选地，对一定的进化代数间隔内最优个体保持不变的情况，采用双阶段自适应变异策略进行水域中的回收路径规划，具体为：
24、对第i阶段采用自适应变异策略进行航向角变异，生成新的路径节点相邻的第i+1阶段在变异前的对应路径节点为把作为第i+1阶段的首端节点，仍作为第i+1阶段的末端节点不变，重新计算第i+1阶段的航向角和路长，i+1阶段以后的阶段不受此次变异的影响；
25、双阶段自适应变异中第i阶段的变异只进行航向角变异，且变异幅度项a1的取值调整为：
26、
27、其中，α为多边形的外角；
28、作为评估标准的代数间隔根据种群目标迭代代数gmax进行设置。
29、优选地，所述回收路径的适应度函数为：
30、
31、其中li是阶段i的路长，pel是uuv航行全过程的碰撞次数，以每一路径阶段的终点为检测位置进行碰撞检查，第n+1个路径阶段以d为间距选择监测点；c1、c2的取值与总路径长度相关，delta是第i+1个路径阶段航向是否可行的判定值，设第i+1阶段航向角相对于第i阶段转向θ角判定如下：
32、
33、本专利技术还提供一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划系统，包括：
34、信号接收模块，用于接收uuv发送的回收指令及uuv所在位置信息，并向uuv发送潜艇的回收位置坐标和uuv最终对接回收的位置坐标；
35本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，采用二维平面上的坐标建模方法构建二维环境模型，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，所述UUV回收路径规划的约束性条件包括路长约束和航向角约束；
4.根据权利要求3所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，回收路径由许多个路径阶段连接组成，一条可行路径的染色体组成为[N个航向角基因，N个位移基因]，遗传算法的路径种群表示如下：
5.根据权利要求4所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，所述采用具有自适应的变异运算策略的遗传算法进行水域中的回收路径规划，所述自适应的变异策略如下：
6.根据权利要求4所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，对一定的进化代数间隔内最优个体保持不变的情况，采用双阶段自适应变异策略进行水域中的回收路径规划，具体为：
7
8.一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划系统，其特征在于，包括：
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，采用二维平面上的坐标建模方法构建二维环境模型，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，所述uuv回收路径规划的约束性条件包括路长约束和航向角约束；
4.根据权利要求3所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，其特征在于，回收路径由许多个路径阶段连接组成，一条可行路径的染色体组成为[n个航向角基因，n个位移基因]，遗传算法的路径种群表示如下：
5.根据权利要求4所述的一种潜载无人水下航行器自主回坞路径规划方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁文俊，毛昭勇，宋保维，田文龙，沈钧戈，赵鹏程，柴亚军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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