一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统，涉及路径规划领域，该方法包括：基于起始位置和目标位置建立海洋流速的流场模型；根据所述流场模型和波浪滑翔器的速度建立合速度模型；根据所述合速度模型和波浪滑翔器的质量建立能量成本评价函数；采用RRT算法获得所述起始位置和所述目标位置之间的扩展节点；采用所述能量成本评价函数对所述扩展节点进行能量成本评价，获得第一能量最优节点集合；通过图搜索算法对所述第一能量最优节点集合中节点采用所述能量成本评价函数进行能量成本评价，获得第二能量最优节点集合；对所述第二能量最优节点集合中节点采用B样条曲线进行拟合，获得最终规划路径。本发明专利技术降低了波浪滑翔器的能耗。滑翔器的能耗。滑翔器的能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统


[0001]本专利技术涉及路径规划
，特别是涉及一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统。

技术介绍

[0002]波浪滑翔器是一类利用其特殊双体结构转换波浪起伏为前向动力的无人自主航行器，主要由浮体船、脐带缆、牵引机三部分组成。利用以上三部分组成的多刚体结构将波浪能转化为前向动力，利用浮体船上的太阳能电池板为波浪滑翔器导航、通讯和运动控制等模块提供能源供给。具有长期连续航行、自主导航定位、人工智能识别等功能，按照0.5~1米/秒的速度可实现1年1万公里的海上连续航行而无需能源补给，从而完成海水表层温盐、流场、波浪以及大气层下垫面风、温、气压等环境参数连续走航测量，增加特定声、光、电传感器可以实现水下、水面和空中目标监视和探测。
[0003]波浪滑翔器具有弱机动性，受洋流干扰影响较大，目前波浪滑翔器存在任务执行能力消耗大的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统，降低了波浪滑翔器的能耗。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种波浪滑翔器全局路径规划方法，包括：基于起始位置和目标位置建立海洋流速的流场模型；根据所述流场模型和波浪滑翔器的速度建立合速度模型；根据所述合速度模型和波浪滑翔器的质量建立能量成本评价函数；采用RRT算法获得所述起始位置和所述目标位置之间的扩展节点；采用所述能量成本评价函数对所述扩展节点进行能量成本评价，获得第一能量最优节点集合；通过图搜索算法对所述第一能量最优节点集合中节点采用所述能量成本评价函数进行能量成本评价，获得第二能量最优节点集合；对所述第二能量最优节点集合中节点采用B样条曲线进行拟合，获得最终规划路径。
[0006]可选地，所述流场模型表示为：；其中，表示t时刻海流速度在所述波浪滑翔器前进方向上的速度分量，表示t时刻海流速度在与所述波浪滑翔器前进方向的垂直方向上的速度分量。
[0007]可选地，所述合速度模型表示为：；其中，表示所述波浪滑翔器的速度。
[0008]可选地，所述能量成本评价函数表示为：；其中，m表示所述波浪滑翔器的质量。
[0009]本专利技术还公开了一种波浪滑翔器全局路径规划系统，至少包括处理器，所述处理器用于执行所述的波浪滑翔器全局路径规划方法。
[0010]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术公开了一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统，根据基于海流速度的合速度模型和波浪滑翔器的质量建立能量成本评价函数；采用RRT算法获得起始位置和目标位置之间的扩展节点，采用能量成本评价函数和图搜索算法获得能量最优节点集合，采用B样条曲线进行拟合，获得最终规划路径，具有计算时间短、计算节点数量少和能量消耗低的优点。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1为本专利技术一种波浪滑翔器全局路径规划方法流程示意图；图2为本专利技术流场模型建立示意图；图3为本专利技术合速度模型建立原理示意图；图4为本专利技术RRT算法节点扩展示意图；图5为本专利技术图搜索算法示意图；图6为本专利技术一种波浪滑翔器全局路径规划系统结构示意图。
具体实施方式
[0013]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0014]本专利技术的目的是提供一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统，降低了波浪滑翔器的能耗。
[0015]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0016]图1为本专利技术一种波浪滑翔器全局路径规划方法流程示意图，如图1所示，一种波浪滑翔器全局路径规划方法包括以下步骤：
步骤101：基于起始位置和目标位置建立海洋流速的流场模型。
[0017]所述流场模型表示为：；其中，表示t时刻海流速度在所述波浪滑翔器前进方向上的速度分量，表示t时刻海流速度在与所述波浪滑翔器前进方向的垂直方向上的速度分量，流场模型如图2所示，图2中横坐标为x轴，纵坐标为y轴，流场速度可以根据海流背景场数据进行构建，海流背景场数据可以在网上进行下载。
[0018]步骤102：根据所述流场模型和波浪滑翔器的速度建立合速度模型。
[0019]所述合速度模型表示为：；其中，表示所述波浪滑翔器的速度，即无海流影响下波浪滑翔器的航行速度，建立合速度模型原理如图3所示。
[0020]波浪滑翔器是双体结构，浮体船上装载通讯系统和传感器系统，牵引机通过浮体提供的浮力，利用波浪进行驱动行进。当波浪滑翔器需要执行走航任务时，波浪滑翔器通过浮体船上GPS模块得到当前位置，通过岸基监控系统进行通讯，得到目标点（目标位置）的位置信息。
[0021]步骤103：根据所述合速度模型和波浪滑翔器的质量建立能量成本评价函数。
[0022]所述能量成本评价函数表示为：；其中，m表示所述波浪滑翔器的质量。
[0023]步骤104：采用RRT算法获得所述起始位置和所述目标位置之间的扩展节点。
[0024]RRT算法属于概率性算法，通过一个起始位置作为根节点，通过随机采样，增加叶子节点的方式，生成一个随机扩展树，当随机树中的叶子节点包含了目标位置或进入了目标区域，便可以在随机树中找到一条由树节点组成的从初始点到目标点的路径。
[0025]步骤105：采用所述能量成本评价函数对所述扩展节点进行能量成本评价，获得第一能量最优节点集合。
[0026]其中，步骤105第一能量最优节点集合中各最优节点的确定目标为到达目标点的时间最短。
[0027]根据能量成本评价函数计算出来能量消耗最小、也就是利用率最高的节点。第一能量最优节点集合是指在第一层次搜索时，所有节点中最优的节点集合，并不是总体的最优集合。
[0028]步骤106：通过图搜索算法对所述第一能量最优节点集合中节点采用所述能量成本评价函数进行能量成本评价，获得第二能量最优节点集合。
[0029]步骤107：对所述第二能量最优节点集合中节点采用B样条曲线进行拟合，获得最终规划路径。
[0030]本专利技术利用RRT算法在随机空间内进行搜索，将连续空间搜索转换为离散空间搜
索，利用其随机性得到扩展节点，在扩展节点的一定范围内，利用能量成本评价函数进行节点的能量成本评价，以此得到第一能量最优节点集合，RRT算法搜索过程如图4所示，图4中r表示扩展半径，q
int
表示起始位置对应的节点，q本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波浪滑翔器全局路径规划方法，其特征在于，包括：基于起始位置和目标位置建立海洋流速的流场模型；根据所述流场模型和波浪滑翔器的速度建立合速度模型；根据所述合速度模型和波浪滑翔器的质量建立能量成本评价函数；采用RRT算法获得所述起始位置和所述目标位置之间的扩展节点；采用所述能量成本评价函数对所述扩展节点进行能量成本评价，获得第一能量最优节点集合；通过图搜索算法对所述第一能量最优节点集合中节点采用所述能量成本评价函数进行能量成本评价，获得第二能量最优节点集合；对所述第二能量最优节点集合中节点采用B样条曲线进行拟合，获得最终规划路径。2.根据权利要求1所述的波浪滑翔器全局路径规划方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秀军，于佩元，桑宏强，周莹，孙超，
申请(专利权)人：天津工业大学青岛海舟科技有限公司，
类型：发明
国别省市：