CN103854302A - 一种多约束条件下的auv航行环境空间构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下潜器航行环境空间建模技术领域，具体涉及一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法。包括：构建初始航行上边界曲面；构建初始航行下边界曲面；下潜深度约束处理；最小离底间距约束处理；根据航行上、下边界曲面确定AUV航行环境空间。本发明提出一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法，在考虑AUV航行约束条件下生成AUV航行的上边界曲面和下边界曲面，上述两个曲面构成了AUV的航行环境空间，基于该航行环境空间进行航路规划可以提高航路的实用性，同时降低了航路规划的计算量，进而可以提高航路规划效率。

Description

一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法

技术领域

本发明属于水下潜器航行环境空间建模技术领域，具体涉及一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法。 

背景技术

航行环境建模是对AUV航行所处的海洋环境空间进行抽象建模，以构建航路规划的规划空间。航行环境空间建模是航路规划的基础，直接影响规划的效率与精度。传统的航行空间建模方法一般将海底地形以上、海平面以下的空间作为AUV航行空间。这种建模方法一方面忽略了AUV自身的约束条件，导致在此环境中规划出的航路不能使用；另一方面加大了航路规划算法的计算量。 

AUV的实际航行环境是一个三维空间，海底地形是海洋环境最基本的空间框架，构成了AUV航行环境的下边界。而为了保证不被敌方的空中侦察发现，AUV必须至少航行在海水透明度以下，透明度决定了AUV航行的上边界。因此，AUV的实际航行空间就是航行上、下边界之间的区域，我们可以通过构建航行边界曲面来确定航行空间。为了保证航行的安全和隐蔽，AUV航行过程中要充分考自身机动性能的约束，如每条AUV都有最大下潜深度和最小下潜深度的限制；为了保障航行的安全性，AUV与海底距离不能过小；上浮和下潜时，每条AUV都有一个最大升沉角度。因此，为了提高航行边界曲面的实用性，必须在构建航行边界曲面时考虑AUV航行过程中的约束条件。现有的文献表明，目前还没有关于多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法方面的研究。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高航路规划效率的多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法。 

多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法，包括以下步骤： 

（1）构建初始航行上边界曲面 

以透明度历史统计数据为基础数据源，采用二维三次卷积插值方法对数据进行插值，以生成初始航行上边界曲面； 

（2）构建初始航行下边界曲面 

以电子海图中的水深数据为基础数据，利用自然单元插值方法对水深数据进行插值，生成初始航行下边界曲面； 

（2.1）根据AUV的航行区域选择电子海图作为基础数据源 

根据AUV的航行任务确定航行的海域范围，以能够包围该海域的最大比例尺海图作为AUV航行区域最佳的基础数据源； 

（2.2）从电子海图中提取水深数据，生成基础数据 

提取步骤（2.1）确定的海图中航行区域内的水深点并以此存入水深点数据结构中； 

（2.3）将岛屿、沉船、井架进行地形等价处理 

将海洋中的岛屿等价位水深值为0的地形；将沉船、井架等价为海底地形，该处地形的深度为海水深度减去沉船或者井架的高度； 

（2.4）对下边界高程数据进行插值，生成初始航行下边界曲面 

采用自然单元插值对离散高程数据进行内插处理，生成初始航行下边界曲面 

{V_down(i)＝(x_i,y_i,d_i),i＝1,2,...,N}； 

其中，(x_i,y_i)表示水平坐标，d_i是(x_i,y_i)处的海深值； 

（3）下潜深度约束处理 

（3.1）航行上边界曲面下潜深度约束处理 

对于上边界曲面上的任一点(x_i,y_i)，设该点的透明度值为T₀(x_i,y_i)，AUV的最小下潜深度为h_min，进行最小下潜深度约束处理后的航行上边界曲面H_up0(x,y)为： 

$H_{\mathrm{up}0}(x_i,y_i)=\left\{\begin{array}{c}{T}_0(x_i,y_i),T_0(x_i,y_i)\&GreaterEqual;h_{\min }\\ h_{\min },T_0(x_i,y_i)<h_{\min }\end{array}\right.;$

（3.2）航行下边界曲面下潜深度约束处理 

AUV的最大下潜深度为h_max，下边界曲面上的任一点(x_i,y_i)的水深值为H_bed(x_i,y_i)，进行最大下潜深度约束处理后的航行下边界曲面H_down0(x,y)为： 

$H_{\mathrm{down}0}(x_i,y_i)=\left\{\begin{array}{c}{h}_{\max },H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)\&GreaterEqual;h_{\max }\\ H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i),H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)<h_{\min }\end{array};\right.$

（4）最小离底间距约束处理 

AUV的最小离底间距为H_min，即对于下边界曲面上的每一个网格点，处理后的下边界曲面H_down(x_i,y_i)为： 

H_down(x_i,y_i)＝H_down0(x_i,y_i)+H_min； 

（5）最大升沉角约束处理 

最大升沉角对应航行曲面的坡度角，AUV的最大升沉角度为θ，相邻两个网格点i和i+1的 属性值分别为v(i)和v(i+1)，间隔为l，相邻两个网格点组成直线的坡度角为φ， 

$\tan \mathrm{\&phi;}=\frac{v(i+1)-v\left(i\right)}{l}$

则调整坡度角，保证每一点的坡度均能满足最大升沉角约束 

v(i)＜v(i+1)时， $v\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}v\left(i\right),\tan \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;\tan \mathrm{\&phi;}\\ v(i+1)-l\&times;\tan \mathrm{\&theta;},\tan \mathrm{\&theta;}<\tan \mathrm{\&phi;}\end{array}\right.;$

v(i)＝v(i+1)时，坡度角为0，不需要进行处理； 

v(i)＜v(i+1)时， $v(i+1)=\left\{\begin{array}{c}v(i+1),\tan \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;-\tan \mathrm{\&phi;}\\ v\left(i\right)-l\&times;\tan \mathrm{\&theta;},\tan \mathrm{\&theta;}<-\tan \mathrm{\&phi;}\end{array}\right.;$

（6）根据航行上、下边界曲面确定AUV航行环境空间 

航行上边界曲面确定了航行环境空间的上边界，航行下边界曲面确定了航行环境空间的下边界，二者之间的空间既是AUV航行环境空间，航行环境空间中任意点(x₀,y₀)，则该点的深度值H(x₀,y₀)应该满足如下关系： 

H_up(x₀,y₀)＜H(x₀,y₀)＜H_down(x₀,y₀)。 

本发明的优点在于：本发明提出一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法，在考虑AUV航行约束条件下生成AUV航行的上边界曲面和下边界曲面，上述两个曲面构成了AUV的航行环境空间，基于该航行环境空间进行航路规划可以提高航路的实用性，同时降低了航路规划的计算量，进而可以提高航路规划效率。 

附图说明

图1：本发明提出的航行环境空间生成流程图。 

图2：本发明中采用的电子海图水深数据提取流程图。 

图3：本发明中采用的三种坡度角示意图。 

具体实施方式

下面对本发明的一种多约束条件下的AUV航行边界曲面生成方法进行详细说明。 

本发明公开了一种多约束条件下的AUV航行边界曲面生成方法，主要包括以下步骤： 

步骤一：初始航行上边界曲面构建。以透明度历史统计数据为基础数据，利用二维三次卷积插值方法对透明度数据进行插值，生成初始航行上边界曲面。 

步骤二：初始航行下边界曲面构建。以电子海图中的水深数据为基础数据，利用二维三次卷积插值方法对透明度数据进行插值，生成初始航行下边界曲面。 

步骤三：下潜深度约束处理。为了满足AUV的下潜深度约束，对初始航行上边界曲面进行最小下潜深度约束处理，对初始航行下边界曲面进行最大下潜深度约束处理。 

步骤四：最小离底间距约束处理。为了满足AUV的最小离底间距约束，对初始航行下边界曲面进行最小离底间距约束处理。 

步骤五：最大深沉角约束处理。为了满足AUV的最大深沉角约束，对航行上边界曲面和航行下边界曲面分别进行最小离底间距约束处理。 

步骤六：根据航行上、下边界曲面确定AUV航行环境空间。 

具体步骤如下： 

步骤一：初始航行上边界曲面构建。 

在考虑AUV机动和物理约束条件下，总可以找到这么一个曲面，在该曲面之下的区域可以满足AUV的航行要求，而该曲面以上的空间不利于AUV的航行隐蔽，我们将该曲面定义为AUV航行上边界曲面。 

AUV航行上边界曲面可以看作一种离散的数学表达，具体用一个三维向量有限序列来表示： 

{V_up(i)＝(x_i,y_i,t_i),i＝1,2,...,N}   （1） 

其中，(x_i,y_i)表示水平坐标，t_i是(x_i,y_i)处的深度值。 

海水透明度是影响AUV隐蔽航行的重要因素。因此，可以以透明度数据为基础数据，利用二维三次卷积插值方法对透明度数据进行插值，生成初始航行上边界曲面。海水透明度随时间变化很小，因此历史统计数据可以反映真实透明度分布情况。透明度历史统计数据以网格的形式存在，对于非网格点位置的数据无法直接获得。但是，在生成上边界曲面的过程中需要用到航行范围内任意点的透明度数据，这就需要对透明度历史统计数据进行插值处理，从而获得任意非网格点的透明度值。本专利采用二维三次卷积插值方法对透明度数据进行插值，以生成透明度曲面，进而生成初始航行上边界曲面。 

步骤二：初始航行下边界曲面构建。 

在实际的航行过程中，并不是海有多深AUV的航行深度就可到达多深。考虑AUV所受的各种约束条件，总可以找到这么一个曲面，该曲面以上的空间可以满足AUV的航行要求，而曲面之下的区域是AUV不能到达的。我们把该曲面定义为AUV航行下边界曲面。航行下边界曲面可以看作是对海底地形的一种离散的数学表达，用一个三维向量有限序列来表示： 

{V_down(i)＝(x_i,y_i,d_i),i＝1,2,...,N}   （2） 

其中，(x_i,y_i)表示水平坐标，d_i是(x_i,y_i)处的海深值。 

以电子海图中的水深数据为基础数据，利用自然单元插值方法对透明度数据进行插值，生成初始航行下边界曲面。具体流程如下： 

步骤2.1根据AUV的航行区域选择电子海图作为基础数据源 

为了使生成的地形更真实，细节更详尽，需要选择水深数据相对密集的海图。而比例尺越大的电子海图信息量越大，根据这一原则，电子海图的选择方法如下：首先根据AUV的航行任务确定航行的海域范围，然后搜索电子海图库，找到能够包围该海域的最大比例尺海图，该海图即可作为AUV航行区域最佳的基础数据源。 

步骤2.2从电子海图中提取水深数据，生成基础数据 

电子海图中的水深数据与海底地形相关，水深数据是点状要素，存储在单独的水深图层中。水深数据的提取流程如下：首先遍历选步骤2.1确定的海图中的所有要素，找到与航行区域有交集的水深图层，依次读取水深点，如果当前水深点在航行区域内则提取该点，并存入水深点的数据结构中，如此循环，直到提取出航行区域中的所有水深数据。水深点的数据结构如下： 

Struct Depth_st 

{ 

double lat;//经度 

double lon;//纬度 

double value;//水深值 

} 

步骤2.3将岛屿、沉船、井架等进行地形等价处理 

AUV的航行环境是海洋，海洋中的岛屿、沉船、井架等构成了航行障碍物。为了便于建模，必须对上述要素进行等价处理。具体处理方法如下：对于海洋中的岛屿，将其等价为海底地形，水深设置为0；对于沉船、井架，等价为海底地形，该处地形的深度为海水深度减去沉船或者井架的高度。 

步骤2.4对下边界高程数据进行插值，生成初始航行下边界曲面 

从电子海图中提取的水深数据是离散分布的，数据量也很少，为了生成连续的海底地形曲面，必须对水深数据进行位置变换和加密处理，即进行内插。内插方法很多，鉴于海底地形具有连续性的特点，某点的水深值受其周围水深点的影响较大，而受与其距离较远的水深点的影响较小，因此本专利采用自然单元插值对离散高程数据进行处理。 

步骤三：下潜深度约束处理。 

为了满足AUV的下潜深度约束，对初始航行上边界曲面进行最小下潜深度约束处理，对初始航行下边界曲面进行最大下潜深度约束处理。具体处理方法分为以下两个步骤： 

步骤3.1航行上边界曲面约束处理 

最小下潜深度决定着AUV隐蔽航行空间的上边界。根据AUV自身的性能约束，每条AUV都有一个最小下潜深度h_min，只有在最小下潜深度以下才能保证其航行的隐蔽性和稳定性。因此，考虑最小下潜深度后航行上边界曲面H_up0(x,y)应该表示如下： 

$H_{\mathrm{up}0}(x_i,y_i)=\left\{\begin{array}{c}{T}_0(x_i,y_i),T_0(x_i,y_i)\&GreaterEqual;h_{\min }\\ h_{\min },T_0(x_i,y_i)<h_{\min }\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，(x_i,y_i)表示航行上边界曲面上的任意点，T₀(x_i,y_i)表示该点的透明度值。 

步骤3.2航行下边界曲面约束处理 

最大下潜深度决定着AUV航行空间的下边界。根据AUV自身的性能约束，每条AUV都有一个最大下潜深度h_max，只有在最大下潜深度以上航行才能保证其航行安全。因此，考虑最大下潜深度后航行下边界曲面H_down0(x,y)应该表示如下： 

$H_{\mathrm{down}0}(x_i,y_i)=\left\{\begin{array}{c}{h}_{\max },H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)\&GreaterEqual;h_{\max }\\ H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i),H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)<h_{\min }\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，(x_i,y_i)表示航行下边界曲面上的任意点，H_bed(x_i,y_i)表示该点的水深值。 

步骤四：最小离底间距约束处理。 

为了保证AUV的航行安全，每一条AUV都有一个最小离底间距H_min。为了满足这个约束，可以直接将该值与下边界航行曲面相叠加，以保证下边界曲面以上的区域均是安全的。即对于下边界曲面上的每一个网格点，由： 

H_down(x_i,y_i)＝H_down0(x_i,y_i)+H_min   （5） 

其中，(x_i,y_i)表示航行下边界曲面上的任意点，H_down0(x_i,y_i)表示施加最小离底间距约束前的水深值。 

步骤五：最大升沉角约束处理。 

最大升沉角对应航行曲面的坡度角。设AUV的最大升沉角度为θ，插值后相邻的两个网格点i和i+1的属性值分别为v(i)和v(i+1)，间隔为l，相邻两个网格点组成直线的坡度角为φ，则： 

$\tan \mathrm{\&phi;}=\frac{v(i+1)-v\left(i\right)}{l}---\left(6\right)$

坡度角为φ存在如图3所示的三种情况。 

对于第二种情况，坡度角为0，不需要进行处理。对于另外两种情况，则需要判断AUV升沉角和坡度角的关系进行相应处理。如果坡度角为φ大于AUV的最大升沉角度为θ，那么需要调整网格点i的值，使坡度角为φ的值等于AUV的最大升沉角度为θ，否则就不需要调整。 

第一种情况需要调整网格点i的属性值，处理方式如下： 

$v\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}v\left(i\right),\tan \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;\tan \mathrm{\&phi;}\\ v(i+1)-l\&times;\tan \mathrm{\&theta;},\tan \mathrm{\&theta;}<\tan \mathrm{\&phi;}\end{array}\right.---\left(7\right)$

第三种情况需要调整网格点i+1的属性值，处理方式如下： 

按照上述两个公式分别对组成上下两个边界曲面的网格点沿x,y方向逐个进行处理，即可得到满足最大升沉角度约束的边界曲面。 

步骤六：根据航行上、下边界曲面确定AUV航行环境空间 

航行上边界曲面确定了航行环境空间的上边界，航行下边界曲面确定了航行环境空间的下边界，二者之间的空间既是AUV航行环境空间。设航行环境空间中任意点(x₀,y₀)，则该点的深度值H(x₀,y₀)应该满足如下关系： 

H_up(x₀,y₀)＜H(x₀,y₀)＜H_down(x₀,y₀)   （9）。 

Claims (1)

1.一种多约束条件下的AUV航行环境空间构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）构建初始航行上边界曲面

以透明度历史统计数据为基础数据源，采用二维三次卷积插值方法对数据进行插值，以生成初始航行上边界曲面；

（2）构建初始航行下边界曲面

以电子海图中的水深数据为基础数据，利用自然单元插值方法对水深数据进行插值，生成初始航行下边界曲面；

（2.1）根据AUV的航行区域选择电子海图作为基础数据源

根据AUV的航行任务确定航行的海域范围，以能够包围该海域的最大比例尺海图作为AUV航行区域最佳的基础数据源；

（2.2）从电子海图中提取水深数据，生成基础数据

提取步骤（2.1）确定的海图中航行区域内的水深点并以此存入水深点数据结构中；

（2.3）将岛屿、沉船、井架进行地形等价处理

将海洋中的岛屿等价位水深值为0的地形；将沉船、井架等价为海底地形，该处地形的深度为海水深度减去沉船或者井架的高度；

（2.4）对下边界高程数据进行插值，生成初始航行下边界曲面

采用自然单元插值对离散高程数据进行内插处理，生成初始航行下边界曲面

{V_down(i)＝(x_i,y_i,d_i),i＝1,2,...,N}；

其中，(x_i,y_i)表示水平坐标，d_i是(x_i,y_i)处的海深值；

（3）下潜深度约束处理

（3.1）航行上边界曲面下潜深度约束处理

对于上边界曲面上的任一点(x_i,y_i)，设该点的透明度值为T₀(x_i,y_i)，AUV的最小下潜深度为h_min，进行最小下潜深度约束处理后的航行上边界曲面H_up0(x,y)为：

$H_{\mathrm{up}0}(x_i,y_i)=\left\{\begin{array}{c}{T}_0(x_i,y_i),T_0(x_i,y_i)\&GreaterEqual;h_{\min }\\ h_{\min },T_0(x_i,y_i)<h_{\min }\end{array};\right.$

（3.2）航行下边界曲面下潜深度约束处理

AUV的最大下潜深度为h_max，下边界曲面上的任一点(x_i,y_i)的水深值为H_bed(x_i,y_i)，进行最大下潜深度约束处理后的航行下边界曲面H_down0(x,y)为：

$H_{\mathrm{down}0}(x_i,y_i)=\left\{\begin{array}{c}{h}_{\max }{,H}_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)\&GreaterEqual;h_{\max }\\ H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)H_{\mathrm{bed}}(x_i,y_i)<h_{\min }\end{array};\right.$

（4）最小离底间距约束处理

AUV的最小离底间距为H_min，即对于下边界曲面上的每一个网格点，处理后的下边界曲面H_down(x_i,y_i)为：

H_down(x_i,y_i)＝H_down0(x_i,y_i)+H_min；

（5）最大升沉角约束处理

最大升沉角对应航行曲面的坡度角，AUV的最大升沉角度为θ，相邻两个网格点i和i+1的属性值分别为v(i)和v(i+1)，间隔为l，相邻两个网格点组成直线的坡度角为φ，

$\tan \mathrm{\&phi;}=\frac{v(i+1)-v\left(i\right)}{l}$

则调整坡度角，保证每一点的坡度均能满足最大升沉角约束

v(i)＜v(i+1)时， $v\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}v\left(i\right),\tan \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;\tan \mathrm{\&phi;}\\ v(i+1)-l\&times;\tan \mathrm{\&theta;},\tan \mathrm{\&theta;}<\tan \mathrm{\&phi;}\end{array};\right.$

v(i)＝v(i+1)时，坡度角为0，不需要进行处理；

v(i)＜v(i+1)时， $v(i+1)=\left\{\begin{array}{c}v(i+1),\tan \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;-\tan \mathrm{\&phi;}\\ v\left(i\right)-l\&times;\tan \mathrm{\&theta;},\tan \mathrm{\&theta;}<-\tan \mathrm{\&phi;}\end{array};\right.$

（6）根据航行上、下边界曲面确定AUV航行环境空间

航行上边界曲面确定了航行环境空间的上边界，航行下边界曲面确定了航行环境空间的下边界，二者之间的空间既是AUV航行环境空间，航行环境空间中任意点(x₀,y₀)，则该点的深度值H(x₀,y₀)应该满足如下关系：

H_up(x₀,y₀)＜H(x₀,y₀)＜H_down(x₀,y₀)。

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