CN110849355B - 一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法，以终点地磁场多参量为目标值，在没有先验地磁图的情况下，进行高效、快速的路径搜索。首先获取载体当前时刻所处位置及目的地的地磁参量信息；根据当前位置及目的地的地磁信息构建损失函数，通过对损失函数的观测来判断载体是否到达目标位置，若到达则完成导航，否则依据相应的搜索策略进行最优行进角的确定，按照预设步长进行载体的位置更新，并循环以上步骤，直至完成导航过程。较现有的时序进化搜索方法减少了行进过程中的随机性，避免了无序的搜索过程，提高导航效率。

Description

一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法

技术领域

本发明适用于无先验地磁场的情况下，以终点地磁场多参量为目标值，实现水下潜航器长航时地磁自主导航，特别是涉及一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法。

背景技术

地磁导航的物理基础是近地空间内地磁环境与空间位置具有一一对应的关系，由此而引发的地磁导航研究已成为自主导航领域研究的热点方向。目前，地磁导航主要以匹配方式为代表，利用实测地磁数据串与先验地磁图进行相关匹配来获取载体位置，对地磁图的完整度、精确度要求极高。然而，由于种种原因，先验地磁图绘制时的精确性与完整性无法保证。近年来种种研究表明，地球上许多生物都可以根据地球磁场信息来进行定位和导航。生物磁趋势性敏感不仅为导航路径明确的生物(如大雁、知更鸟等)提供方向辨识，同时也为主动搜寻式的生物(如信鸽、海龟等)提供导航信息。因此，可在无先验地磁场的情况下，以终点地磁场多参量为目标值，将多目标的求解与导航运动相结合，构建一种仿生地磁导航方法。

从生物磁趋势性敏感角度看，地磁场是多种参量的混合体，仿生地磁导航则可看作是在多种磁场参量刺激下进行的搜索运动行为。在以终点地磁场多参量为目标值的搜索导航过程中，运动路径既是搜索的结果，同时运动路径引起的多种参量变化也是诱使导航搜索不断进行的原因。载体如何依靠地磁参量信息准确快速的到达目标位置，是目前重点研究方向之一。有效的行进方向角能够提高无人载体的导航效率，使导航路径更加可靠与准确。根据生物运动行为与地磁场变化趋势性敏感的特性，研究磁参量变化与行进方向角之间的关系，建立地磁多参量变化与方向角的函数关系模型，从而摆脱无序，随机游走的搜索模式，使得无人载体在没有先验地磁图的情况下，快速、高效的到达目标位置。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法，在无先验地磁图的情况下，以目的地的地磁多参量为目标值，结合当前位置及周围一定区域的地磁参量信息，对最优前进方向角进行预测，引导载体不断向目标点运动，最终完成导航，为达此目的，本发明提供一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取载体当前时刻所处位置及目标位置的地磁参量；

步骤2：判断是否到达目的地：根据当前位置与目的地的地磁参量构建损失函数，通过计算当前的损失函数来判断载体是否到达目的地，若到达目的地，停止搜索完成导航；否则跳转至步骤3；

步骤3：依据搜索策略对最优行进角进行预测：载体行进过程中，若相邻两时刻的磁场矢量的变化方向与目的地和当前位置的地磁矢量变化方向一致时，则满足多参量同时同地收敛的条件。依据上述原则进行最优行进角的确定，重复上述步骤，直到完成导航。

本发明的进一步改进，所述的磁场参量元素包括磁场三分量、磁场总强度、磁场水平分量、磁偏角、磁倾角中的部分或全部，所述磁场三分量，分别为北向分量、东向分量、垂直分量。

本发明的进一步改进，步骤2中所述的第i个地磁参量的损失函数为：

其中

与

分别k时刻载体位置与目的地的第i个地磁参量信息。通过观察当前的损失函数来判断载体是否到达目的地。考虑地磁参量间的量级和单位，对损失函数进行归一化处理，得：

其中，

分别为载体初始位置和目的地的第i个地磁参量信息，当载体行进至目的地时，损失函数值理论上为0，因此，当前位置磁参量的损失函数值较小时，即满足F(B_k)≤ε,可认为导航器到达目的地，其中ε为接近0的极小量，根据导航精度进行设定。

本发明的进一步改进，步骤3中所述的搜索策略满足时即有：

(B_aim-B_k)//(B_k+1-B_k)

其中，B_k，B_k+1，B_aim分别表示k时刻、k+1时刻及目的地地磁参量，当满足以上条件时，向量(B_aim-B_k)与(B_k+1-B_k)之间的夹角为0，因此，分别计算当前位置和四周的邻近位置地磁信息的差值向量，与目标点和当前位置的地磁信息差值向量之间的夹角，取夹角最小时的行进角为最优行进方向，并沿其运动预设步长。

本发明的进一步改进，所述邻近位置的分布为以当前点为圆心对行进角进行离散采样，表示为：

θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_M}，

其中，I_θ为采样间隔，θ_i＝i×I_θ，根据导航精度调整采样间隔。

本申请一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法，本发明与现有技术相比的优点在于：依据本申请提供的地磁仿生导航算法，无需依赖先验地磁图，依据搜索策略不断调整最优行进方向，快速、高效的完成导航路径搜寻。较现有的时序进化搜索方法减少了行进过程中的随机性，利用载体当前时刻的多个磁参量信息，选择最优的前进航向角，避免了无序的搜索过程，以及多参量同时估计，可以使得多目标参量同时快速收敛至目标位置。

附图说明

图1为本申请导航方法流程图；

图2为本申请搜索策略示意图；

图3为本申请实施例的导航路径示意图；

图4为本申请实施例的选取参量元素收敛示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

地磁场包含多个地磁特征量，从仿生角度出发，生物运动行为具有对地磁场变化趋势性敏感的特性，因此，地磁仿生导航的过程可视为是地磁场多个特征参量从起始位置对目标位置的各个特征参量搜索收敛的过程，如图1所示实现方法具体步骤如下：

1)载体运动模型建立

在水下潜航器基于地磁参量的仿生导航过程中，可将潜航器视为质点，其运动方程可表示为：

其中，(x_k,y_k)、(x_k+1,y_k+1)分别表示k与k+1时刻潜航器的位置，θ_k为k时刻载体航向角，v为载体运动速度，u为系统的输入，与潜航器的航向角θ与速度v有关。假定航行器在ΔT内进行匀速运动，则v可以用常量V表示，则上式简化为:

其中，L表示运动步长，L＝ΔT×V。

2)初始化

获取载体初始时刻与目的地的地磁参量信息，设置载体运动步长；

3)判断是否到达终点

当前位置的地磁参量环境可描述为：

B＝{B₁,B₂,…B_n}

其中，B₁,B₂,…B_n为地磁场各参量元素，可以是磁场三分量(地磁北向分量、地磁东向分量、地磁垂直分量)、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。根据当前位置与目的地的地磁信息构建第i个地磁参量的损失函数为：

其中

与

分别k时刻载体位置与目的地的第i个地磁参量信息。通过观察当前的损失函数来判断载体是否到达目的地。考虑地磁参量间的量级和单位，对损失函数进行归一化处理，得：

其中，

分别为载体初始位置和目的地的第i个地磁参量信息，当载体行进至目的地时，损失函数值理论上为0，因此，当前位置磁参量的损失函数值较小时，即满足F(B_k)≤ε,可认为导航器到达目的地，其中ε为接近0的极小量，根据导航精度进行设定。若不满足以上条件跳转至下一步。

4)最优行进角的确定

如图1所示，载体行进过程中，为避免无序的搜索过程，实现多参量同时同地收敛，使则下一步的行进方向尽量满足：

(B_aim-B_k)//(B_k+1-B_k)

其中，B_k，B_k+1，B_aim分别表示k时刻、k+1时刻及目的地地磁参量，当满足以上条件时，向量(B_aim-B_k)与(B_k+1-B_k)之间的夹角为0，因此，依据以上搜索策略确定最优行进角。以当前点为圆心，对行进角离散采样，表示为：

θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_M}，

其中，I_θ为采样间隔，θ_i＝i×I_θ。分别计算各行进角下的向量(B_aim-B_k)，(B_k+1-B_k)之间的夹角α，取夹角α最小时对应的θ作为最优行进角，根据设定的步长进行下一位置的更新，并重复上述步骤，直到完成导航。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例选取地磁北向分量、地磁东向分量及地磁垂直分量作为导航搜索的参量元素，设定起始点坐标为(5,5)，如图2所示，其横坐标为经度，纵坐标为纬度，起始位置地磁参量为

设定目的地坐标为(10,10)，对应地磁参量为

步长设置为L＝1km，ε＝0.000002。通过以上方法进行导航仿真，结果如图2所示，同时三个地磁导航参量的收敛过程如图3所示，仿真结果验证了该发明的有效性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种地磁多参量多目标快速收敛的仿生导航方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取载体当前时刻所处位置及目标位置的地磁参量；

所述的地磁参量的元素包括磁场三分量、磁场总强度、磁场水平分量、磁偏角、磁倾角中的部分或全部，所述磁场三分量，分别为北向分量、东向分量、垂直分量；

步骤2：判断是否到达目的地：根据当前位置与目的地的地磁参量构建损失函数，通过计算当前的损失函数来判断载体是否到达目的地，若到达目的地，停止搜索完成导航；否则跳转至步骤3；

步骤2中第i个地磁参量的损失函数为：

其中

与

分别k时刻载体位置与目的地的第i个地磁参量信息，通过观察当前的损失函数来判断载体是否到达目的地，考虑地磁参量间的量级和单位，对损失函数进行归一化处理，得：

其中，

分别为载体初始位置和目的地的第i个地磁参量信息，当载体行进至目的地时，损失函数值理论上为0，因此，当前位置磁参量的损失函数值较小时，即满足F(B_k)≤ε,可认为导航器到达目的地，其中ε为接近0的极小量，根据导航精度进行设定；

步骤3：依据搜索策略对最优行进角进行预测：载体行进过程中，若相邻两时刻的磁场矢量的变化方向与目的地和当前位置的地磁矢量变化方向一致时，则满足多参量同时同地收敛的条件，依据上述原则进行最优行进角的确定，重复上述步骤，直到完成导航；

步骤3中所述的搜索策略满足时即有：

(B_aim-B_k)//(B_k+1-B_k)

其中，B_k，B_k+1，B_aim分别表示k时刻、k+1时刻及目的地地磁参量，当满足以上条件时，向量(B_aim-B_k)与(B_k+1-B_k)之间的夹角为0，因此，分别计算当前位置和四周的邻近位置地磁信息的差值向量，与目标点和当前位置的地磁信息差值向量之间的夹角，取夹角最小时的行进角为最优行进方向，并沿其运动预设步长；

所述邻近位置的分布为以当前点为圆心对行进角进行离散采样，表示为：

θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_M}，

其中，I_θ为采样间隔，θ_i＝i×I_θ，根据导航精度调整采样间隔。

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