CN109751994B - 一种自主归航的水下航行器地磁仿生导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下航行器地磁导航技术领域，具体涉及一种自主归航的水下航行器地磁仿生导航方法，包括：步骤1：获取航行器所在当前时刻所处位置以及目标位置的地磁参量的值；步骤2：判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁分量的差值是否在预设范围内；若是，则表示到达目标位置，完成导航；否则跳转到步骤3；步骤3：确定所述航向器在当前时刻对应的运动方向，将所述航向器沿所述运动方向行驶预设步长，重复上述步骤1和步骤2，直到完成导航。该方法摆脱了现有的对先验地磁图的依赖，将地磁参量导航归结为对地磁特征的多参量多目标搜索问题，通过计算目标函数值不断选择最佳的行驶方向，提高了导航效率。

Description

一种自主归航的水下航行器地磁仿生导航方法

技术领域

本发明涉及水下航行器地磁导航技术领域，具体涉及一种自主归航的水下航行器地 磁仿生导航方法。

背景技术

地磁仿生导航是通过对动物迁徙、归巢等行为的分析与借鉴，提出了一种不同于传 统导航方式的新概念导航技术，其特点是不依赖于先验数据，异于常规的地磁参量匹配导航方法。

目前国内外在水下航行器地磁导航方面的研究主要以地磁匹配导航代表，其特点是 利用实测地磁特征与先验地磁图进行数据匹配，确定其自身位置。该方法依赖于先验地磁图的存在，但是地磁图的获取受多种因素的制约，如探测精度、观测规模、以及时变 等因素的影响，先验地磁图的获取成为地磁匹配导航的制约条件。

发明内容

本申请提供一种自主归航的水下航行器地磁仿生导航方法，旨在摆脱现有技术中地 磁导航时需要预先获取地磁图的限制，具体通过以下技术方案予以实现：

一种自主归航的水下航行器地磁仿生导航方法，包括：

步骤1：获取航行器所在当前时刻所处位置以及目标位置的地磁参量的值；

步骤2：判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁参量 的差值是否在预设范围内；若是，则表示到达目标位置，完成导航；否则跳转到步骤3；

步骤3：确定所述航行器在当前时刻对应的运动方向，将所述航行器沿所述运动方向行驶预设步长，重复上述步骤1和步骤2，直到完成导航；

其中，航行器每运动预设步长后到达一个位置点对应一个时刻；

其中，确定所述航行器在当前时刻对应的运动方向，包括：

获取航行器在前两个时刻以及前一个时刻位置处对应的目标函数的值，判断航向器 在前两个时刻对应的目标函数值是否大于前一个时刻对应的目标函数值，且航行器在前 一个时刻是否逆时针旋转或者航行器在前两个时刻对应的目标函数值是否小于前一个时刻对应的目标函数值，且航行器在前一个时刻是否顺时针旋转；若是，则将航行器当 前时刻所在方向顺时针旋转预设角度后的方向作为所述当前时刻对应的运动方向，否则 将当前时刻所在方向逆时针旋转预设角度后的方向作为所述当前时刻对应的运动方向；

其中，所述目标函数通过以下方法构建：

步骤301：对于任意一个点，其参量环境B可描述为：

B＝{B₁,B₂,…,B_n} (1)

其中，B₁,B₂,…,B_n为磁场的参量元素；

步骤302：将目标位置处的地磁参量B^t与该点位置的地磁参量B^k中对应的任意一个参量元素之间的差作为目标搜索函数，如下公式(3)；

其中，

表示目标位置处第i个地磁参量的值，

表示当前时刻所处位置的第i个地磁参量的值；

步骤303：获取目标位置处的地磁参量B^t与该点位置的地磁参量B^k中每个参量元素对应的目标搜索函数，对所述目标函数进行如下的归一化处理，如下公式(4)

其中，

为起始位置处的地磁参量值。

其中，在初始时刻，将起始位置看作一个当前点，分别计算该当前点四周的邻近点与所述目标位置的目标函数值，取使得目标函数最小的邻近点与所述当前点的连线方向为初始方向，将航行器沿所述初始方向行驶预设步长。

其中，所述磁场的参量元素包括磁场总强度、磁偏角、磁场水平分量以及磁场三分量中的部分或全部。

其中，所述邻近点为分布在以所述当前点为圆心的圆周上的6个点P₁,P₂,…,P₆，其中每相邻两个点的圆心角为60°。

其中，所述预设步长为1-2km。

其中，所述预设角度为60°。

其中，所述判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁参 量的差值是否在预设范围内时，对所述地磁参量包含的每个参量元素分别对应判断，若所有的参量元素的差值均在预设范围内，则表示到达目标位置。

依据本申请提供的地磁仿生导航方法，摆脱了现有的对先验地磁图的依赖，将地磁 参量导航归结为对地磁特征的多参量多目标搜索问题，导航行为的依据是使得地磁多参 量同时同地收敛于目标值，从而达到利用地磁参量进行归航的目的，其中在导航过程中通过计算目标函数值不断的调整导航方向，选择最佳的行驶方向，提高了导航效率。

附图说明

图1是本申请导航方法流程图；

图2是本申请实施例确定初始方向时邻近点示意图；

图3是本申请实施例的导航方法流程图；

图4是本申请实施例的运动方向确定的示意图；

图5是本申请实施例自主归航的导航路径示意图；

图6是本申请实施例目标函数的收敛曲线图；

图7是本申请实施例中所选取参量元素收敛曲线图。

具体实施方式

大量的生物行为学实验证明生物具有地磁感知的能力，能够辨识巢穴地的地磁信息，如信鸽、海龟等对出生地的地磁信息进行标注等。有关生物运动学研究表明，生物 受地磁场环境的激励，产生趋向或远离刺激源的趋向性运动行为。地磁趋势性敏感这一 生物特征，其仿生意义在于使得地磁的每个参量能够同时同地收敛于各自的目标值，即 认为到达目标点，本发明依据上述发现提出了一种地磁仿生导航方法。

从生物对磁场感知的角度看，地磁场是由多种参量构成的混合体，参量环境B可描述为：

B＝{B₁,B₂,…,B_n} (1)

其中，B₁,B₂,…,B_n为磁场的参量元素，它们可以是磁场总强度、磁偏角、磁倾角、磁场水平分量等参量中的部分或全部。

本发明从仿生角度出发，生物磁趋势性行为可以归结为参量规律未知情况下，在时 间取值于

上的多参量向各自目标收敛问题：

其中，

表示时间变量，(B₁,B₂,…,B_n)是n个地磁场参量，F(k)为目标函数。

针对地磁场特性，将目标位置处的地磁参量B^t与当前时刻所在位置处的地磁参量B^k之间的差作为导航搜索的激励，其中第i个地磁参量的目标搜索函数为：

考虑地磁参量间的量级和单位，故此对多个目标函数进行如下的归一化处理，

其中，

为起始位置处的地磁参量值。

假设航行器的出行阶段以随机游走模型进行搜索区域的探索，即将航行器视为一个 质点，建立简化的运动学方程为：

其中，(X,Y)表征航行器的位置，L₁表征航行器随机游走阶段的运动步长，θ表征航行 器的运动方向，α表征航行器的随机偏转角度，其服从均值0，方差为σ的正态分布。

在航行器的出行阶段中，记录出发位置处的地磁参量，以其作为归航时的目标参量 B^t。

对于归航过程中，其运动方程为

该方法具体步骤如下：

步骤A：初始化

测量航行器随机游走终止位置的地磁参量，将该参量作为归航的Bo，已知B^t(即航行器初始的位置参量)，则通过公式(4)可得目标函数F(0)；

步骤B：初始对准

尽管归航的搜索算法对于初始方向的行为解并不敏感，但是选择一个好的初始解有 利于缩短算法的搜索时间。因此，本发明首先通过初始对准来确定较好的航行器初始运动方向，即分别计算归航过程的起点位置P₀的地磁参量及邻近几个点P₁,P₂,…,P₆的地磁参量到目标位置G的地磁参量的目标函数F，则取使得目标函数最小的方向为初始对准 的方向；

min F(P_j,G),j∈m (7)

步骤C：环境奖励

在设定起始状态下，航行器执行完成动作后，系统对该运动策略进行奖赏，即

其中，F_k≤F_k-1表示当前时刻的航行器位置处与目标位置处的目标函数值小于或等于上 一个时刻航行器位置处与目标位置处的目标函数值，说明运行的方向逼近目标位置，且 当前位置地磁参量在向目标位置处的地磁参量收敛，θ_k-1表示在(k-1)时刻对航行器进 行的目标方向的调整，R_k＝1表示AUV执行θ_k-1后得到的奖励，即将该方向保留，增加 该方向上后续被选取的转移概率；R_k＝-1表示航行器执行θ_k-1后得到的惩罚，即执行该 方向后所需的代价较高，偏离目标位置，因此，该方向应尽量被摒弃掉，则 θ_k＝θ_k-1η·Δθ，其中η为预设角度Δθ的偏转方向，当η＝+1时航行器逆时针偏转，记 为CCW；当η＝-1时航行器顺时针偏转，记为CW；

步骤D：判断停止准则，即判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁参量的差值是否在预设范围内，若满足停止条件，算法终止；否则，令 k＝k+1，重新确定下一时刻的运动方向，沿该运动方向以预设步长行驶后，重新判断， 直到满足停止条件。

以下结合具体的实施例对本申请方法进行说明。

本实施例选取磁场的三个独立分量，即X方向分量、Y方向分量、以及磁场总强F 分量作为导航搜索的参量元素，设定水下航行器起始位置P₀处的地磁参数值为：

目标位置处G处的地磁参数值为：

算法的参数设置：σ＝10，预设角度Δθ＝60°，预设步长L₂＝1km，ε＝0.00008。

通过以下方法进行导航使得航行器归航,如图1和图2，该方法包括：

步骤1：获取航行器所在当前时刻所处位置以及目标位置的地磁参量的值；

步骤2：判断航行器当前时刻所处位置的地磁参量与目标位置的地磁分量的差值是 否在预设范围内，此处ε为阈值，设置为不为0的较小值即可；若是，则表示到达目标 位置，完成导航；否则跳转到步骤3；

步骤3：确定所述航行器在当前时刻对应的运动方向，将所述航行器沿运动方向行驶预设步长，重复上述步骤1和步骤2，直到完成导航；

其中，在判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁参量 的差值是否在预设范围内时，对地磁参量包含的多个参量元素进行归一化处理，判断相邻时刻的归一化后的目标函数是否小于预设阈值，如果小于或者等于预设阈值，则表示 到达目标位置。如图7，为本实施例的三个参量元素各自的收敛曲线。

其中，如图2，在初始时刻，将起始位置看作一个当前点，分别计算该当前点四周的邻近点与目标位置的目标函数值，取使得目标函数最小的邻近点与所述当前点的连线方向为初始方向，将航行器沿所述初始方向行驶预设步长。邻近点为分布在以当前点为 圆心的圆周上的6个点P₁,P₂,…,P₆，其中每相邻两个点的圆心角为60°。

其中，在航行器每运动预设步长后到达一个位置点对应一个时刻，以F表示在k时刻对应的位置处的目标函数。

其中，确定所述航行器在当前时刻对应的运动方向，包括：获取航行器在前两个时刻以及前一个时刻位置处对应的目标函数的值，判断航行器在前两个时刻对应的目标函数值是否大于前一个时刻对应的目标函数值，且航向器在前一个时刻是否逆时针旋转或者航行器在前两个时刻对应的目标函数值是否小于前一个时刻对应的目标函数值，且航向器在前一个时刻是否顺时针旋转；若是，则将航行器当前时刻所在方向顺时针旋转预 设角度后的方向作为当前时刻对应的运动方向，否则将当前时刻所在方向逆时针旋转预 设角度后的方向作为当前时刻对应的运动方向。如图4能更好地说明上述运动方向确定 的原理：例如，航行器在(k-2)时刻所在位置处的目标函数F(k-2)大于(k-1)时刻航 行器所在位置处的目标函数F(k-1)，并在(k-1)时刻的方向为逆时针，由此可见如果航 行器继续沿此方向运动至(k+1)时刻，必然将远离目标位置，故此，在k时刻航行器需 顺时针运动。

通过该方法可知，在导航的过程中目标函数处于逐渐减少的过程，如图6为本实例导航过程中目标函数F的收敛过程曲线，如图7为本实例导航过程中所选三个参量的收 敛曲线，表征了三参量的同时同地收敛过程。

其中，目标函数通过以下方法构建：

步骤301：对于任意一个点，其参量环境B可描述为：

B＝{B₁,B₂,…,B_n} (1)

其中，B₁,B₂,…,B_n为磁场的参量元素；

步骤302：将目标位置处的地磁参量B^t与该点位置的地磁参量B^k中对应的任意一个参量元素之间的差作为目标搜索函数，如下公式(3)；

其中，

表示目标位置处第i个地磁参量的值，

表示当前时刻所处位置的第i个地磁参量的值；

步骤303：获取目标位置处的地磁参量B^t与该点位置的地磁参量B^k中每个参量元素对应的目标搜索函数，对所述目标函数进行如下的归一化处理，如下公式(4)

其中，

为起始位置处的地磁参量值。

由导航搜索的路径轨迹图5可以看出，该算法能够通过环境奖励不断学习进而实现 航行器的自主导航任务，仿真验证了该发明的有效性，其中，位置P₀到位置G的距离为1006km，导航误差为2.4km。

Claims (5)

1.一种自主归航的水下航行器地磁仿生导航方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取航行器当前时刻所处位置以及目标位置的地磁参量值；

步骤2：判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁参量的差值是否在预设范围内；若是，则表示到达目标位置，完成导航；否则跳转到步骤3；

步骤3：确定所述航向器在当前时刻对应的运动方向，将所述航行器沿所述运动方向行驶预设步长，重复上述步骤1和步骤2，直到完成导航；

其中，航行器每运动预设步长后到达一个位置点对应一个时刻；

其中，确定所述航行器在当前时刻对应的运动方向，包括：

获取航行器在前两个时刻以及前一个时刻位置处对应的目标函数的值，判断航行器在前两个时刻对应的目标函数值是否大于前一个时刻对应的目标函数值，且航行器在前一个时刻是否逆时针旋转或者航行器在前两个时刻对应的目标函数值是否小于前一个时刻对应的目标函数值，且航行器在前一个时刻是否顺时针旋转；若是，则将航行器当前时刻所在方向顺时针旋转预设角度后的方向作为所述当前时刻对应的运动方向，否则将当前时刻所在方向逆时针旋转预设角度后的方向作为所述当前时刻对应的运动方向；

其中，所述目标函数通过以下方法构建：

步骤301：对于任意一个点，其参量环境B可描述为：

B＝{B₁,B₂,…,B_n} (1)

其中，B₁,B₂,…,B_n为磁场的参量元素；

步骤302：将目标位置处的地磁参量B^t与该点位置的地磁参量B^k中对应的任意一个参量元素之间的差作为目标搜索函数，如下公式(3)；

其中，

表示目标位置处第i个地磁参量的值，

表示当前时刻所处位置的第i个地磁参量的值；

步骤303：获取目标位置处的地磁参量B^t与该点位置的地磁参量B^k中每个参量元素对应的目标搜索函数，对所述目标函数进行如下的归一化处理，如下公式(4)

其中，

为起始位置处的地磁参量值。

还包括：在初始时刻，将起始位置看作一个当前点，分别计算该当前点四周的邻近点与所述目标位置的目标函数值，取使得目标函数最小的邻近点与所述当前点的连线方向为初始方向，将航行器沿所述初始方向行驶预设步长；

其中，所述磁场的参量元素包括磁场总强度、磁偏角、磁场水平分量以及磁场三分量中的部分或全部；

还包括：在航行器每次执行完成动作后，对上次运动策略进行奖赏，其中奖赏值Rk通过以下公式获取：

其中，F_k≤F_k-1表示当前时刻的航行器位置处与目标位置处的目标函数值小于或等于上一个时刻航行器位置处与目标位置处的目标函数值；θ_k-1表示在(k-1)时刻对航行器进行的目标方向的调整，R_k＝1表示航行器执行θ_k-1后得到的奖励，将上次调整的方向保留，以增加该方向上后续被选取的转移概率；R_k＝-1表示航行器执行θ_k-1后得到的惩罚，表示上次调整方向后所需的代价较高，且偏离目标位置，将上次调整的方向摒弃掉。

2.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述邻近点为分布在以所述当前点为圆心的圆周上的6个点P₁,P₂,…,P₆，其中每相邻两个点的圆心角为60°。

3.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述预设步长为1-2km。

4.如权利要求2所述的导航方法，其特征在于，所述预设角度为60°。

5.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述判断所述航行器当前时刻所处位置的地磁参量与所述目标位置的地磁分量的差值是否在预设范围内时，对所述地磁参量包含的每个参量元素分别对应判断，若所有的参量元素的差值均在预设范围内，则表示到达目标位置。

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