CN111813128A - 一种无人艇自主航行性能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水面无人艇自主航行研究设计领域，尤其是一种无人艇自主航行性能评估方法，其根据航向保持性能评估、自主避碰性能评估、自主循迹功能评估等三个方面，通过对无人艇航行时间、燃油量、航行路径等参数进行测量和计算，综合评估无人艇自主航行过程中的航向保持性能、自主避碰性能及自主循迹性能，通过权重分配和归一化计算，对无人艇的航行性能进行定量、综合评估，考虑因素全面，评估方法科学合理，适用于湖泊、河流、海上等多种水上试验场地。
Description
技术领域
本发明涉及水面无人艇自主航行研究设计领域，尤其是一种无人艇自主航行性能评估方法。
背景技术
水面无人艇是一种无人操作的、吨位小于等于500吨的水面船舶。通过加装不同的载荷系统，在民用领域可执行巡逻、搜救、消防、应急响应、水文测量等任务，在军用领域可执行侦察、警戒、攻击、反潜、封锁与封锁、电子侦查与对抗等任务，而上述能力实现的基础是无人艇平台的自主航行功能。目前，国内针对水面无人艇自主航行性能，所提出的指标体系、考核手段与评估方法均较为简单，难以全面反映无人艇平台的自主航行性能。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种无人艇自主航行性能评估方法，其采用的技术方案如下：
一种无人艇自主航行性能评估方法，包括：
(1)航向保持性能评估
①在试验场地中选择无人艇的航行路径、出发点及目标点，根据无人艇行驶时的方向计算其与预定航向θ之间的航向偏差Δθ，根据航行过程中的航向偏差Δθ计算航向偏差平滑度CDM；
②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，其中航行时间T为
T＝te-ts (1)
其中ts为无人艇驶入航行区域的时间，te为无人艇驶出航行区域的时间，总耗油量E为
E＝Ee-Es (2)
其中Es为无人艇驶入航行区域时的燃油量，Ee为无人艇驶出航行区域时的燃油量；
③运用线性加权求和法，计算无人艇航向保持性能评估值IND1
IND1＝k11×CDM+k12×T+k13×E (3)
k11+k12+k13＝1 (4)
其中，k11、k12及k13分别为航向偏差平滑度CDM、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；
(2)自主避碰性能评估
①在试验场地中设置无人艇航行的起点和目标点，并在航行路径内设置动态障碍物，根据无人艇的体积、速度、外界环境及动态障碍物的行进速度，确定无人艇的最小安全避碰距离Dsafe，将无人艇与动态障碍物的最小距离dismin与最小安全避碰距离Dsafe进行比较和计算得到避碰危险度ACR；
②根据无人艇与动态障碍物的相对距离计算相对距离威胁度f1，根据无人艇和动态障碍物的相对运动状态计算相对运动趋势威胁度f2，根据相对距离威胁度f1及相对运动趋势威胁度f2计算得到动态障碍物的不确定性F；
③记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；
④运用线性加权求和法，计算无人艇自主避碰性能评估值IND2
IND2＝k21×ACR+k22×F+k23×T+k24×E (5)
k21+k22+k23+k24＝1； (6)
其中，k21、k22、k23及k24分别为避碰危险度ACR、动态障碍物的不确定性F、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；
(3)自主航行性能评估
运用线性加权求和法，计算无人艇自主航行性能评估值TOT
TOT＝k1×IND1+k2×IND2 (7)
k1+k2＝1， (8)
其中，k1及k2分别为航向保持性能IND1、自主避碰性能IND2所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。
在上述方案的基础上，所述航向偏差Δθ的计算公式为
Δθt＝θt-θ (9)
其中Δθt为t时刻的航向偏差，θt为t时刻的无人艇航向，θ为t时刻的设定航向；
所述航向偏差平滑度CDM的计算公式为
所述最小距离dismin的计算公式为
dismin＝min{||pt_usv-pt_obs||} (11)
其中pt_usv是无人艇在t时刻的地理坐标向量(xt_usv，yt_usv)，pt_obs是动态障碍物在t时刻的地理向量坐标(xt_obs，yt_obs)，
所述避碰危险度ACR的计算公式为
ACR值越小，避碰危险度越小；
所述相对距离威胁度f1的计算公式为
其中f1(dk)表示在k时刻的相对距离威胁度，dk为无人艇与动态障碍物在k时刻的相对距离，Dsensor为无人艇的探测范围，Dsensor可在评估前统一测算得到；
所述相对运动趋势威胁度f2的计算公式为
其中f2(dk-1,dk)表示动态障碍物从k-1时刻到k时刻的相对运动趋势威胁度，v1和v2分别表示无人艇和动态障碍物的速度；
所述动态障碍物不确定性F的计算公式为
Fk＝1-f1(dk)·f2(dk-1,dk) (15)
通过上式即可得到k时刻的动态障碍物不确定性，并且进一步求出前k-1个时刻的动态障碍物不确定性，再求取平均值，该值越小代表该动态障碍物的威胁度越小。
在上述方案的基础上，上述航向保持性能评估及自主避碰性能评估重复n次，并计算上述各评估参数的平均值，即
其中
为变量X的平均值，Xi为第i次测得的变量值；变量X分别指代航行时间T、总耗油量E、航向偏差平滑度CDM、避碰危险度ACR及动态障碍物不确定性F。
在上述方案的基础上，对所求得的平均值进行归一化处理，即
其中X*为变量X的归一化值，Xmin为各Xi中的最小值，即Xmin＝min{X1,X2,Λ,Xn}，Xmax为各Xi中的最大值，即Xmax＝max{X1,X2,Λ,Xn}；
最终得到航行时间归一化值T*、总耗油量归一化值E*、航向偏差平滑度归一化值CDM*、避碰危险度归一化值ACR*及动态障碍物不确定性归一化值F*，则无人艇航向保持性能评估值IND1和无人艇自主避碰性能评估值IND2的计算公式为
IND1＝k11×CDM*+k12×T*+k13×E* (18)
IND2＝k21×ACR*+k22×F*+k23×T*+k24×E* (19)
优选地，还包括自主循迹性能评估：
①在试验场地中设置带有拐点的航行路径、起点及目标点，测定无人艇在航行路径上转角度的绝对值之和作为航迹平滑度TSM，根据无人艇的体积、水域流速等因素确定拐点处的捕获半径R，以拐点为圆心、捕获半径R为半径的圆形范围作为该拐点处的路径点，测量无人艇经过路径点时与拐点的最小距离distmin，并与捕获半径R进行比较和计算得到路径点偏离度MD；
②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；
③运用线性加权求和法，计算无人艇自主循迹性能评估值IND3
IND3＝k31×TSM+k32×MD+k33×T+k34×E (20)
k31+k32+k33+k34＝1； (21)
其中，k31、k32、k33及k34分别为航迹平滑度TSM、路径点偏离度MD、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定。
在上述方案的基础上，无人艇自主航行性能评估TOT为
TOT'＝k1'×IND1+k2'×IND2+k3×IND3 (22)
k1'+k2'+k3＝1， (23)
其中，k1'、k2'及k3分别为航向保持性能评估值IND1、自主避碰性能评估值IND2、自主循迹性能评估值IND3所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。
本发明的有益效果为：本方案通过对无人艇航行时间、燃油量、航行路径等参数进行测量和计算，综合评估无人艇自主航行过程中的航向保持性能、自主避碰性能及自主循迹性能，通过权重分配和归一化计算，对无人艇的航行性能进行定量、综合评估，考虑因素全面，评估方法科学合理，适用于湖泊、河流、海上等多种水上试验场地。
附图说明
图1：无人艇航向保持性能试验示意图；
图2：无人艇与动态障碍物位置关系示意图；
图3：无人艇自主避碰性能评估直线对遇试验示意图；
图4：无人艇自主避碰性能评估同向追越试验示意图；
图5：无人艇自主循迹性能评估路径拐点处路径点范围示意图；
图6：无人艇自主循迹性能评估最小距离示意图；
图7：无人艇自主循迹性能评估路径跟踪试验示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
无人艇的自主航行性能评估主要包括以下三个部分：
(1)航向保持性能评估
①试验场景
如图1所示，设A、B分别为试验场地中对地静止的两点，两点相距1km，试验过程中，无人艇(标记为USV)从A点出发，以15kn的航速向B点航行，到达B点则试验结束。
②性能评估计算
a.根据A、B点的相对位置设定航向θ；
b.记录无人艇从A点出发的时间ts和到达B点的时间te，根据公式(1)计算航行时间T；
c.计算无人艇从A点出发的时的燃油量Es和到达B点时的燃油量Ee，根据公式(2)计算总燃油量E；
d.试验中持续采集、保存无人艇的实际航向，根据公式(9)和(10)计算无人艇的航向偏差平滑度CDM；
e.在A、B两点之间多次往返航行，重复上述步骤a～d，根据每次航行结果分别计算得到每次测算的航行时间T、总燃油量E以及航向偏差平滑度CDM，并根据公式(16)计算上述参数的平均值；
f.由该领域的专家学者根据各参数的重要性分配权重，根据公式(3)及公式(4)计算得到无人艇航向保持性能评估值IND1。
(2)自主避碰性能评估
如图2所示，避碰危险度是指无人艇在航行过程中与动态障碍物eobs发生碰撞的危险程度。如果航行过程中，无人艇与动态障碍物的距离小于设定好的无人艇最小安全避碰距离Dsafe，该动态障碍物即被视为威胁障碍物。相对距离越近，避碰危险度越高。无人艇的探测范围Dsensor可在评估计算之前统一得到。
最小安全避碰距离Dsafe是指无人艇在航行过程中，与动态障碍物一定不会发生碰撞的最小距离，该距离根据无人艇体积大小、航行速度v1、外界环境以及动态障碍物的速度v2等因素有关，该距离一般由专家确定。
①试验场景a——直线对遇试验
如图3所示，设试验场地中由对地静止的A、B两点，相距2km，试验时无人艇与有人驾驶的船舶(即动态障碍物)分别从A、B两点出发，均以15Kn的速度相向行驶，两船距离达到最小安全避碰距离且无人艇成功避开船舶时试验结束。
试验场景b——同向追越试验
如图4所示，设试验场地中由对地静止的A、B两点，相距1km，试验时无人艇与有人驾驶的船舶(即动态障碍物)分别从A、B两点出发，且均沿A-B航向，无人艇速度为20Kn，船舶速度为15Kn，两船距离达到最小安全避碰距离且无人艇成功避开船舶时试验结束。
②性能评估计算
a.记录无人艇从A点出发的时间ts和试验结束时的时间te，根据公式(1)计算航行时间T；
b.计算无人艇从A点出发的时的燃油量Es和试验结束时的燃油量Ee，根据公式(2)计算总燃油量E；
c.试验中持续测量、采集无人艇与船舶的地理坐标向量，并根据公式(11)得到最小距离dismin；
d.最小距离dismin小于最小安全避碰距离Dsafe时，根据公式(12)计算得到避碰危险度ACR；
e.当动态障碍物进入到无人艇的探测范围后，持续测量、采集无人艇与船舶的相对位置、实际速度，根据公式(13)、(14)计算无人艇与动态障碍物的相对距离威胁度f1、无人艇和动态障碍物的相对运动趋势威胁度f2，根据公式(15)计算得到动态障碍物不确定性F；
f.分别通过试验场景a和试验场景b进行多次试验，重复上述步骤a～e，根据每次航行结果分别计算得到每次测算的航行时间T、总燃油量E、避碰危险度ACR以及动态障碍物不确定性F，并根据公式(16)计算上述参数的平均值；
g.由该领域的专家学者根据各参数的重要性分配权重，根据公式(5)及公式(6)计算得到无人艇自主避碰性能评估值IND2。
(3)根据上述评估、计算结果及公式(7)及(8)计算得到无人艇自主航行性能评估值TOT，该值越小，表明无人艇的自主航行性能越好。
实施例2
在实施例1的基础上，根据公式(17)分别计算得到航行时间、总燃油量、航向偏差平滑度、避碰危险度以及动态障碍物不确定性的归一化值T*、E*、CDM*、ACR*及F*，基于上述计算结果，根据公式(18)及(19)计算无人艇航向保持性能评估值IND1和无人艇自主避碰性能评估值IND2。
实施例3
在上述实施例的基础上，无人艇自主航行性能评估方法还包括自主循迹性能评估。
如图5及图6所示，无人艇在自主循迹过程中，经过拐点时，一般不会直接经过该拐点，而是偏离该点一定距离，从而绕过该点继续循迹。试验时为各拐点设定捕获半径R，并规定以该拐点为中心和捕获半径R为半径的圆作为该拐点处的路径点，当无人艇进入该路径点，即无人艇距该路径点的值小于捕获半径，则认为无人艇成功经过该拐点。
①试验场景
如图7所示，设试验场地中有一对水静止的正八边形区域，每边长0.5km，试验中无人艇从A点出发，按逆时针方向，以15Kn的速度对正八边形航迹进行跟踪航行，无人艇再次到达A点时航行结束。
②性能评估计算
a.记录无人艇从A点出发的时间ts和试验结束时的时间te，根据公式(1)计算航行时间T；
b.计算无人艇从A点出发的时的燃油量Es和试验结束时的燃油量Ee，根据公式(2)计算总燃油量E；
c.试验中持续采集、测量无人艇在航行路径上转换角度的绝对值之和，通过下式计算得到航迹平滑度TSM
式中含义在式(9)处已注明；
d.单路径点偏离度，试验中持续测量并计算无人艇距离拐点的最小距离，即
distmin＝min{||pt-pt'||} (23)
其中pt是无人艇在t时刻的地理坐标向量(xt，yt)，p′t是路径点在t时刻的地理坐标向量(x′t，y′t)；
则单路径点偏离度D的计算公式为
e.多路径点偏离度MD，无人艇经过n个路径点的偏离度MD计算公式为
f.在上述试验场景进行多次试验，重复上述步骤a～e，根据每次航行结果分别计算得到每次测算的航行时间T、总燃油量E、航迹平滑度TSM以及多路径点偏离度MD，并根据公式(16)计算上述参数的平均值；
g.根据公式(17)分别计算得到航行时间、总燃油量、航迹平滑度以及多路径点偏离度的归一化值T*、E*、TSM*及MD*；
h.由该领域的专家学者根据各参数的重要性分配权重，根据公式(20)、(21)计算得到无人艇自主循迹性能评估值IND3。
在上述评估和计算的基础上，将公式(7)、(8)分别修正为公式(22)、(23)，由专家评委对自主航向保持性能IND1、自主避碰性能IND2、自主循迹性能评估值IND3进行权重分配和加权计算，最终得到由三方面性能综合评定得出的无人艇自主航行性能评估结果，自主航行性能与评估值大小呈反比。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种无人艇自主航行性能评估方法，其特征在于，包括：
(1)航向保持性能评估
①在试验场地中选择无人艇的航行路径、出发点及目标点，根据无人艇行驶时的方向计算其与预定航向θ之间的航向偏差Δθ，根据航行过程中的航向偏差Δθ计算航向偏差平滑度CDM；
②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，其中航行时间T为
T＝te-ts (1)
其中ts为无人艇驶入航行区域的时间，te为无人艇驶出航行区域的时间，
总耗油量E为
E＝Ee-Es (2)
其中Es为无人艇驶入航行区域时的燃油量，Ee为无人艇驶出航行区域时的燃油量；
③运用线性加权求和法，计算无人艇航向保持性能评估值IND1
IND1＝k11×CDM+k12×T+k13×E (3)
k11+k12+k13＝1 (4)
其中，k11、k12及k13分别为航向偏差平滑度CDM、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；
(2)自主避碰性能评估
①在试验场地中设置无人艇航行的起点和目标点，并在航行路径内设置动态障碍物，根据无人艇的体积、速度、外界环境及动态障碍物的行进速度，确定无人艇的最小安全避碰距离Dsafe，将无人艇与动态障碍物的最小距离dismin与最小安全避碰距离Dsafe进行比较和计算得到避碰危险度ACR；
②根据无人艇与动态障碍物的相对距离计算相对距离威胁度f1，根据无人艇和动态障碍物的相对运动状态计算相对运动趋势威胁度f2，根据相对距离威胁度f1及相对运动趋势威胁度f2计算得到动态障碍物的不确定性F；
③记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；
④运用线性加权求和法，计算无人艇自主避碰性能评估值IND2
IND2＝k21×ACR+k22×F+k23×T+k24×E (5)
k21+k22+k23+k24＝1； (6)
其中，k21、k22、k23及k24分别为避碰危险度ACR、动态障碍物的不确定性F、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；
(3)自主航行性能评估
运用线性加权求和法，计算无人艇自主航行性能评估值TOT
TOT＝k1×IND1+k2×IND2 (7)
k1+k2＝1， (8)
其中，k1及k2分别为航向保持性能IND1、自主避碰性能IND2所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇自主航行性能评估方法，其特征在于，所述航向偏差Δθ的计算公式为
Δθt＝θt-θ (9)
其中Δθt为t时刻的航向偏差，θt为t时刻的无人艇航向，θ为t时刻的设定航向；
所述航向偏差平滑度CDM的计算公式为
所述最小距离dismin的计算公式为
dismin＝min{||pt_usv-pt_obs||} (11)
其中pt_usv是无人艇在t时刻的地理坐标向量(xt_usv，yt_usv)，pt_obs是动态障碍物在t时刻的地理向量坐标(xt_obs，yt_obs)，
所述避碰危险度ACR的计算公式为
ACR值越小，避碰危险度越小；
所述相对距离威胁度f1的计算公式为
其中f1(dk)表示在k时刻的相对距离威胁度，dk为无人艇与动态障碍物在k时刻的相对距离，Dsensor为无人艇的探测范围，Dsensor可在评估前统一测算得到；
所述相对运动趋势威胁度f2的计算公式为
其中f2(dk-1,dk)表示动态障碍物从k-1时刻到k时刻的相对运动趋势威胁度，v1和v2分别表示无人艇和动态障碍物的速度；
所述动态障碍物不确定性F的计算公式为
Fk＝1-f1(dk)·f2(dk-1,dk) (15)
通过上式即可得到k时刻的动态障碍物不确定性，并且进一步求出前k-1个时刻的动态障碍物不确定性，再求取平均值，该值越小代表该动态障碍物的威胁度越小。
3.根据权利要求2所述的一种无人艇自主航行性能评估方法，其特征在于，上述航向保持性能评估及自主避碰性能评估重复n次，并计算上述各评估参数的平均值，即
其中
为变量X的平均值，Xi为第i次测得的变量值；变量X分别指代航行时间T、总耗油量E、航向偏差平滑度CDM、避碰危险度ACR及动态障碍物不确定性F。
4.根据权利要求3所述的一种无人艇自主航行性能评估方法，其特征在于，对所求得的平均值进行归一化处理，即
其中X*为变量X的归一化值，Xmin为各Xi中的最小值，即Xmin＝min{X1,X2,Λ,Xn}，Xmax为各Xi中的最大值，即Xmax＝max{X1,X2,Λ,Xn}；
最终得到航行时间归一化值T*、总耗油量归一化值E*、航向偏差平滑度归一化值CDM*、避碰危险度归一化值ACR*及动态障碍物不确定性归一化值F*，则无人艇航向保持性能评估值IND1和无人艇自主避碰性能评估值IND2的计算公式为
IND1＝k11×CDM*+k12×T*+k13×E* (18)
IND2＝k21×ACR*+k22×F*+k23×T*+k24×E* (19)。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇自主航行性能评估方法，其特征在于，还包括自主循迹性能评估：
①在试验场地中设置带有拐点的航行路径、起点及目标点，测定无人艇在航行路径上转角度的绝对值之和作为航迹平滑度TSM，根据无人艇的体积、水域流速等因素确定拐点处的捕获半径R，以拐点为圆心、捕获半径R为半径的圆形范围作为该拐点处的路径点，测量无人艇经过路径点时与拐点的最小距离distmin，并与捕获半径R进行比较和计算得到路径点偏离度MD；
②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；
③运用线性加权求和法，计算无人艇自主循迹性能评估值IND3
IND3＝k31×TSM+k32×MD+k33×T+k34×E (20)
k31+k32+k33+k34＝1； (21)
其中，k31、k32、k33及k34分别为航迹平滑度TSM、路径点偏离度MD、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定。
6.根据权利要求5所述的一种无人艇自主航行性能评估方法，其特征在于，无人艇自主航行性能评估TOT为
TOT'＝k1'×IND1+k2'×IND2+k3×IND3 (22)
k1'+k2'+k3＝1， (23)
其中，k1'、k2'及k3分别为航向保持性能评估值IND1、自主避碰性能评估值IND2、自主循迹性能评估值IND3所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。
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