CN117195564B - 水下航行器三维避碰模型的构建方法和安全距离计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下航行器三维避碰模型的构建方法，其根据水下航行器水平方向机动特征和垂直方向机动特征构建了水下航行器三维避碰模型，该方法简单，易于实现，具有良好的实际应用价值；同时本发明还公开了一种水下航行器安全距离计算方法，其根据障碍物相对于水下航行器的角度信息输出障碍物方向的安全距离，为碰撞危险度计算提供数据支持。

Description

水下航行器三维避碰模型的构建方法和安全距离计算方法

技术领域

本发明涉及避碰技术领域，更具体的说是涉及一种水下航行器三维避碰模型的构建方法和安全距离计算方法。

背景技术

目前，现有技术中避碰在二维水平面研究较多，而在三维空间避碰领域几乎没有涉足，而水下航行器在水中又面临着三维避碰任务的挑战。

因此，如何提供一种水下航行器三维避碰模型的构建方法和安全距离计算方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种水下航行器三维避碰模型的构建方法和安全距离计算方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下航行器三维避碰模型的构建方法，包括以下步骤：

S1：基于水下航行器在水平方向的机动特征和尺寸特征确定水下航行器三维避碰模型的左右半轴R_h和第一前半轴R_fh；

基于水下航行器在垂直方向的机动特征和尺寸特征确定水下航行器三维避碰模型的上下半轴R_v和第二前半轴R_fv；

S2：取第一前半轴R_fh和第二前半轴R_fv中长度较小者作为水下航行器三维避碰模型的最终前半轴R_f；

基于所述最终前半轴R_f确定水下航行器三维避碰模型的后半轴R_p；

S3：基于所述左右半轴R_h、所述上下半轴R_v、所述最终前半轴R_f以及所述后半轴R_p构建水下航行器三维避碰模型。

优选的，S1进一步包括以下步骤：

基于水下航行器的型长L、型宽B以及第一角度β计算获得所述左右半轴R_h；其中，所述第一角度β表示水下航行器在回转过程中的最大漂角；

基于水下航行器的当前航速获得水下航行器的回转半径R_T；

基于所述回转半径R_T和所述左右半轴R_h计算获得所述第一前半轴R_fh。

优选的，所述左右半轴R_h的计算公式为：

所述第一前半轴R_fh的计算公式为：

优选的，S1进一步包括以下步骤：

基于水下航行器的型长L、型高H以及第二角度α计算获得所述上下半轴R_v；其中，所述第二角度α表示当前航速下水下航行器正常下潜和上浮过程中的最大攻角的绝对值；

获取水下航行器在当前航速下正常下潜机动的下潜运动轨迹曲线，并将所述下潜运动轨迹曲线向上平移R_v；

获取水下航行器在当前航速下紧急上浮机动的上浮运动轨迹曲线，并将所述上浮运动轨迹曲线向下平移R_v；

计算平移后两个运动轨迹曲线的交点到水下航行器的距离，获得所述第二前半轴R_fv。

优选的，所述上下半轴R_v的计算公式为：

优选的，所述后半轴R_p的计算公式为：R_p＝λR_f；

其中，0.5≤λ≤0.6。

优选的，S3进一步包括：

以水下航行器的重心为坐标系原点，水下航行器的正前方为OX轴方向，正左方为OY轴，正上方为OZ轴建立球坐标系；

当障碍物在水下航行器的前方时，所述水下航行器三维避碰模型表示为：

当障碍物在水下航行器的后方时，所述水下航行器三维避碰模型表示为：

一种水下航行器安全距离计算方法，该计算方法基于该水下航行器的三维避碰模型实现，包括以下步骤：

获取障碍物与原点之间的第一夹角和第二夹角θ；

所述第一夹角表示第一投影与OX轴的夹角,所述第一投影表示水下航行器-障碍物连线在O-XY平面的投影；

所述第二夹角θ表示水下航行器-障碍物连线与OZ轴的夹角；

基于水下航行器三维避碰领域模型、第一夹角和第二夹角θ，获得水下航行器-障碍物的安全距离R；

优选的，当障碍物在水下航行器的前方时，所述安全距离R为：

当障碍物在水下航行器的后方时，所述安全距离R为：

其中，表示当障碍物在水下航行器的前方时，水下航行器-障碍物连线与水下航行器三维避碰模型交点的球坐标；表示当障碍物在水下航行器的后方时，水下航行器-障碍物连线与水下航行器三维避碰模型交点的球坐标。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种水下航行器三维避碰模型的构建方法，该方法简单，易于实现，具有良好的实际应用价值；同时本发明还提供了一种水下航行器安全距离计算方法，其可以输出障碍物方向的安全距离，为碰撞危险度计算提供数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明构建水下航行器三维避碰模型的方法流程图；

图2为本发明确定第一前半轴R_fh的示意图；

图3为本发明确定第二前半轴R_fv的示意图；

图4为本发明构建的球坐标系；

图5为本发明构建的水下航行器三维避碰模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种水下航行器三维避碰模型的构建方法，包括以下步骤：

S1：基于水下航行器在水平方向的机动特征和尺寸特征确定水下航行器三维避碰模型的左右半轴R_h和第一前半轴R_fh；

具体步骤如下：

1、基于水下航行器的型长L、型宽B以及第一角度β计算获得所述左右半轴R_h(数值上等于左右安全避让距离)；其中，所述第一角度β表示水下航行器在回转过程中的最大漂角；

所述左右半轴R_h的计算公式为：

2、基于水下航行器的当前航速获得水下航行器的回转半径R_T；

3、基于所述回转半径R_T和所述左右半轴R_h计算获得所述第一前半轴R_fh。

需要说明的是：如图2所示，所述第一前半轴R_fh的确定方法为：获取水下航行器在当前航速下的回转半径R_T后，建立左转与右转两个回转圆，平移两个回转圆，在水下航行器正前方得到两个回转圆的交点，交点距离水下航行器的距离，即为所述第一前半轴R_fh。

所述第一前半轴R_fh的计算公式为：

基于水下航行器在垂直方向的机动特征和尺寸特征确定水下航行器三维避碰模型的上下半轴R_v和第二前半轴R_fv；

具体步骤如下：

1、基于水下航行器的型长L、型高H以及第二角度α计算获得所述上下半轴R_v(数值上等于垂直安全避让距离)；其中，所述第二角度α表示当前航速下水下航行器正常下潜和上浮过程中的最大攻角的绝对值；

所述上下半轴R_v的计算公式为：

2、确定所述第二前半轴R_fv。

如图3所示，所述第二前半轴R_fv的确定方法为：

获取水下航行器在当前航速下正常下潜机动的下潜运动轨迹曲线，并将所述下潜运动轨迹曲线向上平移R_v；

获取水下航行器在当前航速下紧急上浮机动的上浮运动轨迹曲线，并将所述上浮运动轨迹曲线向下平移R_v；

计算平移后两个运动轨迹曲线的交点到水下航行器的距离，获得所述第二前半轴R_fv。

S2：取第一前半轴R_fh和第二前半轴R_fv中长度较小者作为水下航行器三维避碰模型的最终前半轴R_f；

需要说明的是：考虑到在遇到障碍物时，水下航行器可进行水平机动避让或下潜上浮等方式避让，因此选水平方向机动和竖直方向机动中前半轴较小值作为最终前半轴R_f。

即：R_f＝min(R_fv,R_fh)；

基于所述最终前半轴R_f确定水下航行器三维避碰模型的后半轴R_p；

需要说明的是：考虑到后方的障碍物对水下航行器的影响较小，水下航行器后半轴R_p的计算方式为：R_p＝λR_f，其中，0.5≤λ≤0.6。

S3：基于所述左右半轴R_h、所述上下半轴R_v、所述最终前半轴R_f以及所述后半轴R_p构建水下航行器三维避碰模型。

具体步骤如下：

如图5所示，以水下航行器的重心为坐标系原点，水下航行器的正前方为OX轴方向，正左方为OY轴，正上方为OZ轴建立球坐标系；

当障碍物在水下航行器的前方时，所述水下航行器三维避碰模型表示为：

当障碍物在水下航行器的后方时，所述水下航行器三维避碰模型表示为：

如图4所示，本发明实施例还提供了一种水下航行器安全距离计算方法，该计算方法基于该水下航行器的三维避碰模型实现，包括以下步骤：

获取障碍物与原点之间的第一夹角和第二夹角θ；

所述第一夹角表示第一投影与OX轴的夹角,所述第一投影表示水下航行器-障碍物连线在O-XY平面的投影；

所述第二夹角θ表示水下航行器-障碍物连线与OZ轴的夹角；

基于水下航行器三维避碰领域模型、第一夹角和第二夹角θ，获得水下航行器-障碍物的安全距离R；

当障碍物在水下航行器的前方时，所述安全距离R为：

当障碍物在水下航行器的后方时，所述安全距离R为：

其中，表示当障碍物在水下航行器的前方时，水下航行器-障碍物连线与水下航行器三维避碰模型交点(图4中的点P)的球坐标；表示当障碍物在水下航行器的后方时，水下航行器-障碍物连线与水下航行器三维避碰模型交点(图4中的点P)的球坐标。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种水下航行器三维避碰模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于水下航行器在水平方向的机动特征和尺寸特征确定水下航行器三维避碰模型的左右半轴R_h和第一前半轴R_fh；

基于水下航行器在垂直方向的机动特征和尺寸特征确定水下航行器三维避碰模型的上下半轴R_v和第二前半轴R_fv；

S1进一步包括以下步骤：

基于水下航行器的型长L、型宽B以及第一角度β计算获得所述左右半轴R_h；其中，所述第一角度β表示水下航行器在回转过程中的最大漂角；

基于水下航行器的当前航速获得水下航行器的回转半径R_T；

基于所述回转半径R_T和所述左右半轴R_h计算获得所述第一前半轴R_fh；

S2：取第一前半轴R_fh和第二前半轴R_fv中长度较小者作为水下航行器三维避碰模型的最终前半轴R_f；

基于所述最终前半轴R_f确定水下航行器三维避碰模型的后半轴R_p；

S3：基于所述左右半轴R_h、所述上下半轴R_v、所述最终前半轴R_f以及所述后半轴R_p构建水下航行器三维避碰模型。

2.根据权利要求1所述的水下航行器三维避碰模型的构建方法，其特征在于：

所述左右半轴R_h的计算公式为：

所述第一前半轴R_fh的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的水下航行器三维避碰模型的构建方法，其特征在于，S1进一步包括以下步骤：

基于水下航行器的型长L、型高H以及第二角度α计算获得所述上下半轴R_v；其中，所述第二角度α表示当前航速下水下航行器正常下潜和上浮过程中的最大攻角的绝对值；

获取水下航行器在当前航速下正常下潜机动的下潜运动轨迹曲线，并将所述下潜运动轨迹曲线向上平移R_v；

获取水下航行器在当前航速下紧急上浮机动的上浮运动轨迹曲线，并将所述上浮运动轨迹曲线向下平移R_v；

计算平移后两个运动轨迹曲线的交点到水下航行器的距离，获得所述第二前半轴R_fv。

4.根据权利要求3所述的水下航行器三维避碰模型的构建方法，其特征在于：

所述上下半轴R_v的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的水下航行器三维避碰模型的构建方法，其特征在于：

所述后半轴R_p的计算公式为：R_p＝λR_f；

其中，0.5≤λ≤0.6。

6.根据权利要求1所述的水下航行器三维避碰模型的构建方法，其特征在于，S3进一步包括：

以水下航行器的重心为坐标系原点，水下航行器的正前方为OX轴方向，正左方为OY轴，正上方为OZ轴建立球坐标系；

当障碍物在水下航行器的前方时，所述水下航行器三维避碰模型表示为：

当障碍物在水下航行器的后方时，所述水下航行器三维避碰模型表示为：

7.一种水下航行器安全距离计算方法，该计算方法基于权利要求1-6任意一项所述的水下航行器三维避碰模型实现，其特征在于，包括以下步骤：

获取障碍物与原点之间的第一夹角和第二夹角θ；

所述第一夹角表示第一投影与OX轴的夹角,所述第一投影表示水下航行器-障碍物连线在O-XY平面的投影；

所述第二夹角θ表示水下航行器-障碍物连线与OZ轴的夹角；

基于水下航行器三维避碰领域模型、第一夹角和第二夹角θ，获得水下航行器-障碍物的安全距离R。

8.根据权利要求7所述的水下航行器安全距离计算方法，其特征在于：

当障碍物在水下航行器的前方时，所述安全距离R为：

当障碍物在水下航行器的后方时，所述安全距离R为：

其中，表示当障碍物在水下航行器的前方时，水下航行器-障碍物连线与水下航行器三维避碰模型交点的球坐标；表示当障碍物在水下航行器的后方时，水下航行器-障碍物连线与水下航行器三维避碰模型交点的球坐标。