流函数法在UUV航路规划中的应用及改进*

鞠 阳 王新永 徐国忠

(中国船舶工业系统工程研究院 北京 100094)

流函数法在UUV航路规划中的应用及改进*

鞠 阳 王新永 徐国忠

(中国船舶工业系统工程研究院 北京 100094)

UUV相关技术的发展越来越多地受到广泛重视,其航路规划算法研究日益成为相关研究领域的重要课题。论文介绍了一种起源于流体力学的算法——流函数法,可有效应用于UUV的局部航路规划。针对UUV在实际应用中由于自身机动性、探测性能约束而产生的问题,提出了改进流函数法,能够更有效地规划航路。

流函数; 局部航路规划; 机动性能约束; 探测性能约束; 复杂形状障碍物

Class Number TN96

1 引言

无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是水下无人自主远程航行器,其作为一种新兴的作战力量正受到各军事大国的高度重视。航路规划是UUV研究领域中的核心问题之一,其中针对随时出现在规划路径上的动障碍物的规避,需要基于传感器信息进行局部航路规划,这是UUV航路规划的一项重要研究课题。

UUV局部航路规划是NP-Hard问题[1],梯度法、枚举法、随机搜索等传统优化方法面对这个问题会产生鲁棒性不足,计算复杂度高等问题。利用近几十年发展起来的禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、神经网络等现代优化方法可以一定程度上解决一些实际问题,但仍会有陷入局部最小等情况发生。

流函数法是近年来在航路规划领域兴起的一种新算法。它通过借鉴流体力学中的概念建立势场,模拟水流的机理,规划出的航路能够像流水避开岩石一样使得航行器平滑绕过障碍物,能够很好地避免局部最小问题。该方法早期曾应用在环境、冶金等领域研究中[2～3],在UUV领域内尚是一种新生算法。本文基于流函数法提出UUV的局部航路规划算法,并针对实际应用中产生的一些具体问题提出解决方案。

2 基于流函数法的UUV局部航路规划算法

2.1 算法设计

流函数法[4～10]是基于流体力学中的基本概念,应用圆定理设计出的一种局部航路规划算法,其步骤如下：

1) 在规划平面内建立坐标系,定义起始点和目标点。

2.2 障碍物参数确定原则

在实际应用中,规划平面内的真实障碍物多是不规则形状。根据以下障碍物参数确定原则得到障碍物的中心和半径：假设在规划平面xoy内,障碍物横截面呈现出不规则形状。从起始点I一侧,根据传感器收集到的实时信息,可得出障碍物横截面最大弦PQ,以及据起始点I所在直线距离最短处点K,其垂直距离b可测量,其他可测量距离如图1所示。将PQ中点定为该障碍物中心,障碍物的半径r取OQ、OK长度的最大值,即

图1 障碍物参数确定

3 改进的UUV局部航路规划算法

在实际应用中,由于UUV自身机动能力、探测能力等性能的约束与障碍物形状的特点,基于流函数法的局部航路规划算法的应用效果会受到影响,有的情况下甚至会失效。以下针对UUV局部航路规划中的两种典型情况,提出了改进方法。

3.1 UUV机动性能限制

在传统流函数法的应用中,当起始点和目标点的连线通过圆心或与圆心相距不远时,航路规划会出现问题。前者会出现“停滞”现象,即航路在抵达障碍物边沿时会发生中断,导致算法失效;后者需要大转弯角越过障碍物,若转弯角超过UUV最大机动角度,则该航路失效。我们可以通过建立新的障碍物参数确定原则,避免上述情况发生。

在规划平面xoy内,已知原障碍物中心(xo,yo),半径为r,UUV的最大转弯角为θ,起始点与目标点连线与x轴夹角为α(图2)。设新障碍物中心坐标为(xN,yN),半径为R,那么

xN=x0-(R-r)sinα

由此,根据新障碍物的中心(xN,yN)和半径R进行局部航路规划,可以有效避免停滞,并且满足UUV的机动要求。

图2 虚拟障碍物的设置

3.2 UUV探测性能限制

通常情况下,水下传感器的探测能力是很有限的。基于UUV前视声纳提供的实时信息往往无法反映障碍物的形态特征,导致UUV无法成功规避。另一方面,即使通过其它信息源获知障碍物具体形状,按照传统流函数法规划出的航路也不满足最短路径的要求。因此采用实时更新障碍物的形状及位置,将原障碍物切割成若干区段,分别计算航路,各段规划航路相连为所求的优化航路。这种算法改进的核心是确定每段障碍物的中心和半径。

在规划平面xoy中,有不规则类矩形障碍物(图3)。当UUV沿由障碍物O1规划的路径到达点l1时,传感器信息显示有新的障碍物出现,其与点l1距离最近处为点P,与直线l0T0距离最大处为点Q,则按照如下步骤进行航路优化：

1) 将点l1作为下一阶段的子起始点;

2) 子目标点始终在原起始点l0和原目标点T0的连线l0T0上适当选取;

3) 将在点l1处可见障碍物去除障碍物O1所得区域作为新的障碍物;

4) 新障碍物中心O2始终取在通过点O1并且平行于直线l0T0的直线上,且|O2Q|为障碍物O1的半径;

5) 新障碍物的半径r2=max(|O2Q|,|O2P|);

6) 当UUV航行到点l2处时分析可见障碍物区域信息,判断是否进入下一阶段。若是,返回步骤1);若否,航路规划完成。

在本例中,障碍物O1的中心坐标(x1,y1),半径为r1,P(xp,yp),Q(xq,yq),点Q到直线O1O2的距离为d,已知直线l0T0与x轴夹角为α。设待定障碍物O2中心坐标为(x,y),半径为r2,O2Q与x轴夹角为β,则有

由此,沿l0T0、l1T1间规划出的两段航路航行,可以成功规避障碍物。

图3 虚拟目标点的设置

图4 仿真实验结果

4 仿真实验

假设UUV在50*50的规划平面内航行,用旋转抛物面近似模拟障碍物横截面,设定10个障碍物且模拟较复杂情况：包含起始点与目标点连线经过障碍物中心和两障碍物重叠两种复杂情况。假设UUV最大机动角度为60°,分别采用传统流函数法和改进流函数法进行航路规划,如图4所示。可以看出,在上述两种复杂情况下,改进流函数法规划出的航路能够以较小的曲率延边沿成功绕过障碍物。

5 结语

UUV作为一种新型武器正越来越多的受到重视,能够更有效地规避动目标对UUV用途和影响力的提升至关重要。由于UUV的水下作业特点,其相关研究有很大困难。本文提出了一种基于流函数法的局部航路规划算法,并在UUV机动性能、探测性能等限制下给出了改进的局部航路规划算法。在文中,我们并未将水下环境的影响作用纳入考量范围。而在算法的实际应用中,水环境若影响流场的势,将会影响最终的路径规划结果。因此上述影响是否存在、如何存在,仍待进一步研究完善。

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Application and Improvement of Fluxional Function Method in Route Planning for UUVs

JU Yang WANG Xinyong XU Guozhong

(Systems Engineering Research Institute, CSSC, Beijing 100094)

The research of route planning method is becoming an important topic with the development of UUV. In this paper, fluxional function method coming from fluid dynamics is presented, and it is applicable in the field of local route planning research. In addition, in terms of two problems in application considering maneuver and detection constraints, the improved fluxional function method is proposed which is the effective solution for the problems.

fluxional function, local route planning, maneuver constraints, detection constraints, complex shape obstacle

2014年6月3日,

2014年7月27日

鞠阳,女,博士,工程师,研究方向:建模与仿真。王新永,男,硕士,高级工程师,研究方向:电子信息工程。徐国忠,男,研究员,研究方向:舰船电子信息系统。

TN96

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.048