本發(fā)明涉及水下航行，具體涉及一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、水下航路規(guī)劃是保證水下潛器航行安全和成功完成任務(wù)的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)之一。為尋求能夠完成航行任務(wù)的最優(yōu)航行路線，需根據(jù)水下潛器自身物理約束條件(機(jī)動特性、導(dǎo)航方式和通訊特點(diǎn)等)，同時結(jié)合航行任務(wù)(起始點(diǎn)、搜尋范圍目標(biāo)等)和水上、水下環(huán)境(海底地形、水聲環(huán)境、洋流、威脅、禁航區(qū)等)，設(shè)計(jì)遴選最佳的水下航路規(guī)劃算法。

2、國內(nèi)外學(xué)者針對水下航路規(guī)劃方法開展了大量研究，主要包括4類比較常用的航路規(guī)劃方法：基于幾何模型搜索的方法、基于虛擬勢場和導(dǎo)航函數(shù)的方法、基于模板匹配的方法、基于生物智能的方法。目前，針對水下航路規(guī)劃的研究主要集中在理論方法上，缺少落地應(yīng)用的裝置或設(shè)備。為進(jìn)一步推進(jìn)水下航路規(guī)劃算法的落地應(yīng)用，針對考慮海洋環(huán)境要素、配備電子海圖的水下潛器，本發(fā)明提出一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置，以較小代價(jià)高效地完成給定任務(wù)，可在水下航行安全領(lǐng)域中應(yīng)用并推廣。

2、本發(fā)明的基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法，包括：

3、步驟1，載入電子海圖；

4、步驟2，用數(shù)學(xué)語言描述任務(wù)需求和航行約束條件；所述任務(wù)需求包括起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置，所述航行約束條件包括航速范圍和深度范圍；

5、步驟3，調(diào)用電子海圖，并將海洋環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為海洋環(huán)境模型；其中，海洋環(huán)境模型表達(dá)為限制區(qū)、海流區(qū)、威脅區(qū)、必達(dá)區(qū)四種約束區(qū)域類型，并在電子海圖中分別用多邊形體、圓柱體、半橢球體和多邊形體表示；

6、步驟4，基于步驟2的任務(wù)需求和航行約束條件，以及步驟3的海洋環(huán)境模型，采用航路規(guī)劃算法輸出若干航路點(diǎn)位置；

7、步驟5，根據(jù)步驟4輸出的航路點(diǎn)位置，計(jì)算分段航路的航向、航程和航速，并將航路規(guī)劃結(jié)果傳遞給人機(jī)交互界面，在電子海圖中進(jìn)行三維航路演示。

8、較優(yōu)的，所述步驟二中，用數(shù)學(xué)語言描述起點(diǎn)位置p0、終點(diǎn)位置p、航速v范圍和深度d范圍：

9、p0＝[t0?l0λ0?d0]t???????????????????????(1)

10、pz＝[tz?lzλz?dz]t???????????????????????(2)

11、v∈[va,vb](3)

12、d∈[da,db](4)

13、其中，t0表示起點(diǎn)的時間，l0表示起點(diǎn)的緯度，λ0表示起點(diǎn)的經(jīng)度，d0表示起點(diǎn)的深度；tz表示終點(diǎn)的時間，lz表示終點(diǎn)的緯度，λz表示終點(diǎn)的經(jīng)度，dz表示終點(diǎn)的深度；va表示最小航速，vb最大航速；da表示最小深度，db最大深度。

14、較優(yōu)的，所述步驟3中，利用ogr庫讀取解析電子海圖數(shù)據(jù)，并數(shù)據(jù)自定義格式的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)成自定義矢量海圖。

15、較優(yōu)的，所述步驟3中，圓柱體表示的海流圖s3具體為：

16、

17、其中，d31表示圓柱體上表面的深度，d32表示圓柱體下表面的深度，表示圓柱體的中心坐標(biāo)，r3表示圓柱體上下表面的半徑；

18、半橢球體表示威脅區(qū)s4具體為：

19、

20、式中，d41、d42表示半橢球體表示垂直方向上的深度范圍值，(x40,y40,d41)表示橢球體上表面的中心坐標(biāo)。

21、較優(yōu)的，所述步驟4中，通過求解目標(biāo)函數(shù)，得到航路點(diǎn)位置：

22、jk+1＝min||(lk+1-lk)2+(λk+1-λk)2cos2?lk+(dk+1-dk)2||2

23、

24、式中，pk表示第k個航路點(diǎn)的規(guī)劃結(jié)果，tk表示第k個航路點(diǎn)的規(guī)劃到達(dá)時間，lk表示第k個航路點(diǎn)的規(guī)劃緯度，λk表示第k個航路點(diǎn)的規(guī)劃的經(jīng)度，dk表示第k個航路點(diǎn)的規(guī)劃深度；pk+1表示第k+1個航路點(diǎn)的規(guī)劃結(jié)果，tk+1表示第k+1個航路點(diǎn)的規(guī)劃到達(dá)時間，lk+1表示第k+1個航路點(diǎn)的規(guī)劃緯度，λk+1表示第k+1個航路點(diǎn)的規(guī)劃的經(jīng)度，dk+1表示第k+1個航路點(diǎn)的規(guī)劃深度。

25、較優(yōu)的，所述步驟5中，分段航路的航向、航程和航速具體為：

26、

27、式中，表示第k個航路點(diǎn)與第k+1個航路點(diǎn)之間的分段航路航向，δrk表示第k個航路點(diǎn)與第k+1個航路點(diǎn)之間的分段航路航程，δvk表示第k個航路點(diǎn)與第k+1個航路點(diǎn)之間的分段航路航速。

28、本發(fā)明還提供了一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃裝置，包括數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)處理單元和人機(jī)交互單元；

29、其中，數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲電子海圖；

30、人機(jī)交互單元用于在人機(jī)交互界面中輸入任務(wù)需求和航行約束條件，以及展示航路規(guī)劃結(jié)果；

31、數(shù)據(jù)處理單元接收人機(jī)交互單元輸入的任務(wù)需求和航行約束條件，調(diào)用數(shù)據(jù)存儲單元存儲的電子海圖，采用上述方法將海洋環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為海洋環(huán)境模型，并采用航路規(guī)劃算法輸出若干航路點(diǎn)位置，將所述若干航路點(diǎn)位置傳輸至人機(jī)交互單元進(jìn)行三維航路演示。

32、有益效果：

33、(1)本發(fā)明提出的基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置，其設(shè)置的執(zhí)行步驟清晰簡潔、功能單元分工明確，具有很強(qiáng)的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性；

34、(2)本發(fā)明提出的基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置，不僅能夠給出帶時間戳的航路規(guī)劃點(diǎn)位置，還能計(jì)算各分段航路的航向、航程和航速，對于水下潛器的操縱控制具有重要的指導(dǎo)意義；

35、(3)本發(fā)明提出的基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置具有很強(qiáng)的通用性，基于本發(fā)明設(shè)置的軟硬件架構(gòu)，只需更改具體的航路規(guī)劃算法模型，便于拓展應(yīng)用到其他載體。

技術(shù)特征：

1.一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟二中，用數(shù)學(xué)語言描述起點(diǎn)位置p0、終點(diǎn)位置p、航速v范圍和深度d范圍：

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中，利用ogr庫讀取解析電子海圖數(shù)據(jù)，并數(shù)據(jù)自定義格式的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)成自定義矢量海圖。

4.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步驟3中，圓柱體表示的海流圖s3具體為：

5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4中，通過求解目標(biāo)函數(shù)，得到航路點(diǎn)位置：

6.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述步驟5中，分段航路的航向、航程和航速具體為：

7.一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃裝置，其特征在于，包括數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)處理單元和人機(jī)交互單元；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于電子海圖的水下航路規(guī)劃方法及裝置。本發(fā)明基于電子海圖進(jìn)行水下航路規(guī)劃，充分考慮了海洋環(huán)境要素，不僅能夠給出帶時間戳的航路規(guī)劃點(diǎn)位置，還能計(jì)算各分段航路的航向、航程和航速，對于水下潛器的操縱控制具有重要的指導(dǎo)意義。本發(fā)明能夠以較小代價(jià)高效地完成給定任務(wù)，可在水下航行安全領(lǐng)域中應(yīng)用并推廣。

技術(shù)研發(fā)人員：劉賢俊,楊建,張士濤,楊毅,楊宗元,黃蔚,燕熊,余志強(qiáng),王書昌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國船舶集團(tuán)有限公司第七一九研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17