本發(fā)明為一種多uuv仿生協(xié)同導(dǎo)航方法，將導(dǎo)航過程歸結(jié)為多目標(biāo)搜索問題，通過共享uuv間的各向磁場強(qiáng)度信息，完成協(xié)同導(dǎo)航任務(wù)

背景技術(shù)：

對多uuv精確導(dǎo)航問題的研究已經(jīng)變得非常迫切。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)在水下嚴(yán)重衰減，高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且誤差隨時(shí)間積累，因此有必要尋找全域的自然源導(dǎo)航手段作為深海探測的重要保障，而地磁場恰恰具有這樣的導(dǎo)航特點(diǎn)。目前，地磁導(dǎo)航主要是以匹配方式為代表，利用實(shí)時(shí)測得的地磁數(shù)據(jù)與先驗(yàn)地磁圖進(jìn)行匹配，獲取載體當(dāng)前的位置。對先驗(yàn)地磁圖的依賴是制約地磁導(dǎo)航發(fā)展的關(guān)鍵，建立有效完整的先驗(yàn)地磁圖在目前看來是非常困難的。

在水下無衛(wèi)星信號(hào)，且僅使用低精度慣導(dǎo)，導(dǎo)致定位誤差隨時(shí)間積累，無法到達(dá)指定目標(biāo)地點(diǎn)，遂提出利用仿生協(xié)同導(dǎo)航方法針對多uuv進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航，在各uuv間實(shí)現(xiàn)信息共享，提高搜索效率，最終達(dá)到目標(biāo)地點(diǎn)。從仿生學(xué)角度入手對該問題進(jìn)行研究，并且提出了利用粒子群算法進(jìn)行導(dǎo)航的多目標(biāo)搜索方法，完成在未知地磁環(huán)境下的導(dǎo)航任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于粒子群算法的多uuv仿生協(xié)同導(dǎo)航方法，在水下無衛(wèi)星信號(hào)時(shí)可以滿足導(dǎo)航精度要求。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

步驟一:建立每個(gè)uuv的運(yùn)動(dòng)方程，并確定目標(biāo)地點(diǎn)的磁場信息；

步驟二:測量每個(gè)uuv所處位置的水平北向磁場強(qiáng)度x、水平東向磁場強(qiáng)度y、垂直磁場強(qiáng)度z；

步驟三:計(jì)算每個(gè)uuv的目標(biāo)函數(shù)值；

步驟四:利用粒子群算法計(jì)算每個(gè)uuv的速度，并按此速度更新各uuv的位置，重復(fù)步驟二到步驟四，直到到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)為止。

有益效果：采用多uuv仿生協(xié)同導(dǎo)航方法可以彌補(bǔ)沒有衛(wèi)星信號(hào)情況下隨時(shí)間積累的慣導(dǎo)定位誤差，僅需掌握目標(biāo)地點(diǎn)的磁場信息，就可以準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

附圖說明

圖1為用本發(fā)明方法進(jìn)行仿真得到的uuv軌跡圖。

圖2為用本發(fā)明方法進(jìn)行仿真得到的uuv軌跡局部放大圖。

圖3為用本發(fā)明方法進(jìn)行仿真得到的使用慣導(dǎo)系統(tǒng)定位時(shí)多uuv平均位置與目標(biāo)地點(diǎn)的距離示意圖。

圖4為用本發(fā)明方法進(jìn)行仿真得到的慣導(dǎo)系統(tǒng)定位時(shí)多uuv平均位置與目標(biāo)地點(diǎn)的距離局部放大圖。

圖5為用本發(fā)明方法進(jìn)行仿真得到的仿生協(xié)同導(dǎo)航時(shí)多uuv平均位置與目標(biāo)地點(diǎn)的距離示意圖。

具體實(shí)施方式

當(dāng)n艘uuv進(jìn)行仿生協(xié)同導(dǎo)航時(shí)，導(dǎo)航方法如下：

1.初始化目的地，uuv個(gè)數(shù)n及初始位置，適應(yīng)度閾值σ，采樣周期δt，并隨機(jī)設(shè)置各個(gè)粒子的速度和(隨機(jī)數(shù)范圍根據(jù)uuv速度上限確定)；第i個(gè)uuv的速度在x，y方向上的上限分別為和那么初始速度可以由下式確定：

2.計(jì)算各uuv的優(yōu)化函數(shù)

并初始化個(gè)體極值

通過下面算法確定全局極值：

3.根據(jù)粒子群優(yōu)化算法公式來更新各粒子的速度，并通過下式計(jì)算uuv的航速和航向：

4.重新計(jì)算各uuv的適應(yīng)度，計(jì)算新的個(gè)體極值：

將當(dāng)前時(shí)刻的各個(gè)uuv適應(yīng)度與現(xiàn)有個(gè)體極值pbest進(jìn)行比較，如果比現(xiàn)有個(gè)體極值pbest的適應(yīng)度更小，則將當(dāng)前位置設(shè)置為該個(gè)體新的個(gè)體極值pbest；

5.計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的全局極值gbest：

將每個(gè)uuv的個(gè)體極值pbest與全局極值gbest逐一比較，如果適應(yīng)度更小，則為新的gbest；

6.判斷全局極值gbest的適應(yīng)度是否小于閾值，如果滿足條件，則終止循環(huán)，認(rèn)為到達(dá)目的地，若不滿足，則跳到步驟3。

本發(fā)明的效果通過如下方法得到驗(yàn)證：

參照文獻(xiàn)“1950—1980年中國地區(qū)主磁場模型的建立及分析”模擬實(shí)際地磁場環(huán)境，在matlab中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

選取地磁場x方向分量x、y方向分量y、z方向分量z作為導(dǎo)航線索，分別對應(yīng)(f1，f2，f3)各搜索子目標(biāo)。仿真中有9艘uuv參與協(xié)同導(dǎo)航，取慣性因子ω＝0.7298，學(xué)習(xí)因子c1＝c2＝1.4962。

在不考慮量測噪聲的情況下，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：隨機(jī)選取初始位置(東經(jīng)91°，北緯48°)，向既定地磁環(huán)境目標(biāo)位置(東經(jīng)105°，北緯35°)運(yùn)動(dòng)。每艘uuv的慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺零漂均為0.01°/h，隨機(jī)漂移為0.03°，首先使用慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航，當(dāng)慣導(dǎo)系統(tǒng)到達(dá)“目標(biāo)地點(diǎn)”后，由于慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨時(shí)間的積累導(dǎo)致與真實(shí)的目標(biāo)地點(diǎn)之間有很大誤差，這時(shí)使用協(xié)同仿生導(dǎo)航方法進(jìn)行精確的定位，使多uuv準(zhǔn)確到達(dá)目的地。圖3、圖4、圖5中縱坐標(biāo)單位為m，仿真結(jié)果如附圖所示，從圖4可以看出，在慣導(dǎo)結(jié)束時(shí)，各uuv與目標(biāo)地點(diǎn)有很大距離，經(jīng)過仿生協(xié)同導(dǎo)航后，誤差有顯著減小，驗(yàn)證了本方法的有效性。