[发明专利]一种考虑海洋环流影响的UUV基于能量消耗优化的远程航海路径规划方法

摘要

本发明的目的在于提供一种考虑海洋环流影响的UUV基于能量消耗优化的远程航海路径规划方法，包括以下步骤：确定UUV实际的对地航行速度以及实时更新的海流信息；初始化优化算法所需的各类参数；通过空间分解建模随机产生路径控制节点，使用B‑Spline拟合生成初始路径。进入QPSO算法迭代过程，计算当前路径对应粒子平均最佳位置，计算当前路径对应UUV的能量消耗。通过相应的优化过程确定最终的最优解。输出最终的路径控制节点。根据最终的控制节点拟合生成能耗最优的路径轨迹。本发明中以能耗为优化目标经由三种优化算法得到的能量消耗值均远低于相同算法在以航行时间为优化目标下所消耗的能量。

主权项

1.一种考虑海洋环流影响的UUV基于能量消耗优化的远程航海路径规划方法，其特征是：(1)确定UUV实际的对地航行速度Vg以及实时更新的海洋环流速度Vc：建立二维海洋环境对UUV航行的固定坐标系，其中X轴朝向地理位置的正北方向，Y轴朝向地理位置的正东方向，V表示UUV对水船速，Vc表示海洋环流速度，Vg表示UUV对地实际船速，ψ、ψc、ψg分别表示对水船速、海流速度、对地实际船速与正北方向的夹角，此时有：Vgy＝|V|sinψ+|Vc|sinψcVgx＝|V|cosψ+|Vc|cosψcVgx，Vgy分别表示UUV相对大地的北、东速度部分：通过上述方程将UUV的航迹进行离散化处理，从而求得对地船速的角度，此时可以得到UUV的相对水速：建立三维海洋环境对UUV航行的固定坐标系，此时，Y轴正方向代表大地坐标下的正东方向，X轴正方向代表正北方向，Z轴正方向代表从海底至海面的深度，关于V、Vc、Vg、ψ、ψc、ψg的参数设定与二维下一致，θ、θc、θg分别表示UUV对水船速、海流速度、UUV相对大地的船速与其在XY轴平面投影的夹角，对应方程如下：Vgx＝|V|cosθcosψ+|Vc|cosθccosψc,Vgy＝|V|cosθsinψ+|Vc|cosθcsinψc,Vgz＝|V|sinθ+|Vc|sinθc,(2)初始化所需的参数，包括种群规模N、问题维度D、最大迭代次数iMax、惯性权重w；(3)根据上一步中确定的参数，通过空间分解建模随机产生路径控制节点，使用B‑Spline拟合生成初始路径：将当前UUV所处的整个搜索空间以UUV所在位置为起点分解为均匀的同心圆环，圆环由每对相邻的同心圆构成，半径分别为ri‑1和ri，半径选择如下方程所述，参数m和q分别表示根据搜索需要由拟合方法生成路径轨迹总共需要的路径点数目和为每个圆环区域内分配的路径控制点的数量：三维环境下的系统建模方法与二维下随机环形空间分解方法的区别在于，三维分解域为壳形区域由(s,φ,ψ)确定；使用B‑Spline方法作为拟合方法完成控制节点间轨迹的生成，通过下述分段多项式可以得到B‑Spline曲线，其中pi(s,θ)表示控制节点，s表示控制点到UUV起始位置的距离，θ表示与正北方向的夹角：结合控制节点使用B‑Spline得到光滑路径后，均匀细分路径处理为大量离散点并计算整个路径轨迹所消耗的能量；(4)进入QPSO算法迭代过程，计算当前路径对应粒子平均最佳位置，计算当前路径对应UUV的能量消耗，通过相应的优化过程确定最终的最优解，其中，计算能耗所用到的能量消耗模型具体如下所示：建立UUV航行过程的能量消耗模型，船后螺旋推进器有效推力公式为：FT＝(1‑t)ρn2D4pKP式中，Dp表示螺旋桨直径，n表示螺旋桨转速，t表示推力减额系数，Kp表示无因次推力系数，对UUV每个螺旋桨简化得到式中，表示第i个螺旋桨的推力，N表示螺旋桨数目，表示第i个螺旋桨产生的推力正旋向量，第i个螺旋桨的推力大小，根据上式代入得到：FTi＝AVg2+BVgni+Cni2其中，螺旋桨转速ni由下式得出，Jc为进速比，Dp和ωp分别为螺旋桨直径和螺旋桨伴流系数，V表示UUV的对水航速：综合上述各式得到总推力公式如下，其中，K1、K2、K3分别表示由UUV自身模型参数和对地航速决定的常数：FTi＝Cc2·V2+BVgc·V+AVg2＝K1V2+K2V+K3考虑到整个海洋环境的复杂性，假设存在地形T和禁区Z，此时可以写出UUV对航行轨迹面向能耗优化的表达式：通过细分轨迹并进行累加计算得到UUV总航行轨迹的能量消耗，UUV航行能量消耗模型可由如下式获得：(5)输出最终的路径控制节点；(6)根据最终的控制节点拟合生成能耗最优的路径轨迹。