CN104501815A - 一种水下自主航行器导航远程导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下自主航行器导航远程导航方法，受生物长途迁徙原理启发，归结地球物理场导航过程为多参量多目标搜索问题，将水下航行器导航参数作为搜索方案构建进化种群，采用时序进化搜索算法，在求解多目标搜索问题的同时获取的导航收益，最终实现无需先验数据库的地球物理场导航，本发明除了无需先验数据库的优点外，还提高了水下航行器自主导航能力、隐蔽性，可作为洲际远程导航、无人机等运载体的导航控制方法。本发明的方法从仿生搜索角度实现远程导航任务，摆脱了地球物理场导航对先验数据库的依赖，增强了水下航行器自主运动能力。

Description

一种水下自主航行器导航远程导航方法

技术领域

本发明属于水下航行器领域，具体涉及一种水下自主航行器导航远程导航方法。

背景技术

水下自主航行器是一种水下自主运动的机器人，主要功能是承担水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点。由于在水下无线电信号衰减严重，陆地与空中常用的GPS定位系统，难以适用于水下环境，导航问题已经成为发展水下航行器技术重要的挑战。

目前，水下自主航行器常用的导航方法主要有两类：

一类是利用自身信息的导航系统，如惯性系统、多普勒系统，载体利用自身运动运动信息进行航位推算，工作不受外部环境影响，具有全天候、全空间、高隐蔽性等特点。然而，此类方法成本高、且导航误差随航程会累积增大，远程长航时情况下，精度难以保证。

二类是利用地球物理场的导航系统，如地磁匹配、地形匹配等，利用实测物理场特征数据与先验数据库相关匹配，获取位置信息，此类方法具有高自主性、隐蔽性强等特点。然而，定位精度与导航适用范围受先验数据库的完整性、精确度限制，难以在未知环境应用。就目前环境探测技术而言，建立全时空导航可用的先验数据库是困难的、昂贵的，尤其是水下环境。

上述两类方法所存在的缺陷，将大大减低水下航行器远程导航能力。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水下自主航行器导航远程导航方法，针对以上缺陷，受生物进行远程迁徙的导航原理启发，提出一种多特征参量搜索的导航方法，将地球物理场看做多种参量的混合体，转化导航问题为多参量多目标搜索问题，通过载体自主搜索运动求解多目标问题，实现无需地球物理场先验数据库的远程自主导航目的。

技术方案

一种水下自主航行器导航远程导航方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：为自主航行器装载远程导航运动参数，包括载体航行速度v，航向采样间隔T，导航目标特征集C^T；

步骤2：以载体可行性运动方向为样本，建立进化种群，其中第j个样本为：θ_j＝T×i，其中：θ为可行性运动方向，i∈[1，…,m]，m为可行性运动方向的数目；j∈[1,…,N_pop]，N_pop为种群规模；

步骤3：在第k个时刻，实测当前载体所处位置的环境特征集合C^k，执行导航运动搜索，从进化种群中随机选取任一样本作为载体运动方向，执行导航搜索，在单位时间内获得运动位移为L，实测移动当前特征集合C^k+1；

步骤4、计算所执行样本的导航性能：将特征集合带入公式 $\left\{\begin{array}{c}F=\min \{f_1,f_2,...,f_n\}\\ J_i=g(C_i^k,C_i^T,u^{k-1})\end{array}\right.$ 中，计算获取多目标函数F及约束函数J；如果目标函数F中各子目标函数收敛至0，则认为载体到达目的地，否则依据约束函数进行种群进化；如果约束函数J变小，则对种群执行繁殖操作；如若约束函数J变大，则对种群执行淘汰操作；

其中，u^k-1为水下航行器导航参数，由航行速度v和航向角θ组成；F为目标函数，J为搜索约束；

步骤5、繁殖操作：以等概率随机从种群中选取样本，赋值为上一步被执行的样本；

步骤6：淘汰操作，随机生成新的种群样本替换上一步被执行的样本；

步骤7：变异操作，针对种群所有样本，按照变异算子，执行变异操作，得到新的种群；

步骤8：得到新的进化种群，重新进行样本选择，执行步骤3。往复进行上述过程，直至目标函数F收敛至各自最小值。

有益效果

本发明提出的一种水下自主航行器导航远程导航方法，受生物长途迁徙原理启发，归结地球物理场导航过程为多参量多目标搜索问题，将水下航行器导航参数作为搜索方案构建进化种群，采用时序进化搜索算法，在求解多目标搜索问题的同时获取的导航收益，最终实现无需先验数据库的地球物理场导航，本发明除了无需先验数据库的优点外，还提高了水下航行器自主导航能力、隐蔽性，可作为洲际远程导航、无人机等运载体的导航控制方法。本发明的方法从仿生搜索角度实现远程导航任务，摆脱了地球物理场导航对先验数据库的依赖，增强了水下航行器自主运动能力。

附图说明

图1：是地球物理场导航参量仿生搜索示意图；

图2：实施例搜索示意图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

为了摆脱地球物理场导航对先验数据库的依赖，为水下自主航行器提供远程自主导航方法，本发明受生物远程迁徙的原理启发，提出一种远程水下航行器导航方法。该方法不依赖于先验数据库存在，具有完全自主的特点，能够在复杂、未知环境中实施远程导航任务。

从仿生角度，将地球物理场归结为多种参量的混合体，空间中的任意位置P均可由地球物理场参量C唯一性的描述为：

C^p＝:{c₁,c₂,…,c_n}        (1)

其中，n表示参量数量。

则导航过程中，可以归结为在参量分布规律未知的情况下，载体由当前物理场特征集C^P向目标T处的物理场特征集C^T的收敛过程。不失一般性，可由多目标搜索问题描述为：

$\left\{\begin{array}{c}F=\min \{f_1,f_2,...,f_n\}\\ J_i=g(C_i^k,C_i^T,u^{k-1})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u^k-1为水下航行器导航参数，由航行速度v和航向角θ组成；F为目标函数，J为搜索约束。仿生地球物理场导航搜索过程是在约束函数J的作用下，通过求解多目标函数F，进而实现自主导航的目的。

对于导航参数的获取采用：时序进化搜索策略。将导航参数u的集合为进化种群Pop，依据全局最小值原则，将多目标搜索函数F的收敛状态作为适应度函数，评估种群样本性能。性能优良的个体得到更大概率进行繁殖，性能较差的个体将被淘汰。执行变异操作，实现种群进化，得到新的种群。采用罗盘机制选择样本个体，作为水下航行器导航参数u执行导航运动，得到新的F收敛状态，重新进入适应度评估，并反复迭代，最终得到适应度函数F的最小值，即实现导航任务。

用本发明实现水下航行器远程导航的具体步骤如下：

步骤1：为自主航行器装载远程导航运动参数，包括：载体航行速度(v)，航向采样间隔(T)，导航目标特征集C^T；

步骤2：以载体可行性运动方向为样本，建立进化种群，其中第j个样本为：θ_j＝T×i，θ为可行性运动方向，i∈[1,…,m]，m为可行性运动方向的数目；j∈[1,…,N_pop]，N_pop为种群规模。

步骤3：在第k个时刻，实测当前载体所处位置的环境特征集合C^k，执行导航运动搜索，从进化种群中随机选取任一样本，作为载体运动方向，执行导航搜索，单位时间内获得运动位移为L，实测移动当前特征集合C^k+1。

步骤4：计算所执行样本的导航性能，将特征集合带入公式(2)中，计算获取多目标函数F及约束函数J，如果目标函数F中各子目标函数收敛至0，则认为载体到达目的地，否则依据约束函数进行种群进化。如果如果约束函数J变小，则对种群执行繁殖操作；如若约束函数J变大，则对种群执行淘汰操作；

步骤5：繁殖操作，以等概率随机从种群中选取一定数量的样本，赋值为上一步被执行的样本。

步骤6：淘汰操作，随机生成新的种群样本替换上一步被执行的样本。

步骤7：变异操作，针对种群所有样本，按照变异算子，执行变异操作，得到新的种群；

步骤8：得到新的进化种群，重新进行样本选择，执行步骤3。往复进行上述过程，直至目标函数F收敛至各自最小值。

仿真算例：以地磁特征为例，考虑目标处地磁场特征集合为{B_x＝28126nT，B_y＝-3121.3nT，B_F＝54480nT}，在二维平面内，选取单位时间t运动为v＝500m/t，种群规模为50，航向间隔为30°，则可行性航向种类数目为12。进行导航试验，其结果如图2所示。

Claims (1)

1.一种水下自主航行器导航远程导航方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：为自主航行器装载远程导航运动参数，包括载体航行速度v，航向采样间隔T，导航目标特征集C^T；

步骤2：以载体可行性运动方向为样本，建立进化种群，其中第j个样本为：θj＝T×i，其中：θ为可行性运动方向，i∈[1,…,m]，m为可行性运动方向的数目；j∈[1,…,N_pop]，N_pop为种群规模；

步骤3：在第k个时刻，实测当前载体所处位置的环境特征集合C^k，执行导航运动搜索，从进化种群中随机选取任一样本作为载体运动方向，执行导航搜索，在单位时间内获得运动位移为L，实测移动当前特征集合C^k+1；

步骤4、计算所执行样本的导航性能：将特征集合带入公式 $\left\{\begin{array}{c}F=\min \{f_1,f_2,\·\·\·f_n\}\\ J_i=g(C_i^k,C_i^T,u^{k-1})\end{array}\right.$ 中，计算获取多目标函数F及约束函数J；如果目标函数F中各子目标函数收敛至0，则认为载体到达目的地，否则依据约束函数进行种群进化；如果约束函数J变小，则对种群执行繁殖操作；如若约束函数J变大，则对种群执行淘汰操作；

其中，u^k-1为水下航行器导航参数，由航行速度v和航向角θ组成；F为目标函数，J为搜索约束；

步骤5、繁殖操作：以等概率随机从种群中选取样本，赋值为上一步被执行的样本；

步骤6：淘汰操作，随机生成新的种群样本替换上一步被执行的样本；

步骤7：变异操作，针对种群所有样本，按照变异算子，执行变异操作，得到新的种群；

步骤8：得到新的进化种群，重新进行样本选择，执行步骤3；往复进行上述过程，直至目标函数F收敛至各自最小值。