本發(fā)明屬于水面無(wú)人艇自主性能研究設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)人艇自主性能評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

水面無(wú)人艇作為一種無(wú)人操作的艦艇，具有體積小、航速快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、模塊化等特點(diǎn)，可用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)，簽于上述特點(diǎn)，近年來(lái)，水面無(wú)人艇在軍事及民用領(lǐng)域愈發(fā)獲得人們重視，而自主化水平尤其自主路徑規(guī)劃、自主路徑跟蹤、自主避碰性能是決定其工程應(yīng)用的重要因素，由于國(guó)內(nèi)尚未提出無(wú)人艇自主性能評(píng)估方法，難以對(duì)無(wú)人艇自主路徑規(guī)劃、自主路徑跟蹤、自主避碰等自主性能開(kāi)展評(píng)估，不利于無(wú)人艇自主性能的改善和提升，因此有必要對(duì)無(wú)人艇自主性能評(píng)估方法開(kāi)展研究，提出可在湖上或海上實(shí)施、操作簡(jiǎn)單、保障方便、科學(xué)合理的試驗(yàn)流程和評(píng)估方法，從而對(duì)不同單位研制的無(wú)人艇開(kāi)展自主性能評(píng)估，充分了解國(guó)內(nèi)無(wú)人艇自主化水平，同時(shí)可作為相關(guān)無(wú)人艇競(jìng)爭(zhēng)性研制項(xiàng)目中的評(píng)估手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種無(wú)人艇自主性能評(píng)估方法，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)水面無(wú)人艇自主性能評(píng)估手段缺乏的空白，可在湖面或海上對(duì)無(wú)人艇自主性能開(kāi)展試驗(yàn)評(píng)估，評(píng)估過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，評(píng)估方法合理。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種無(wú)人艇自主性能評(píng)估方法，包括如下步驟：

(1)試驗(yàn)工具準(zhǔn)備：試驗(yàn)工具至少包括GPS或北斗、慣性設(shè)備以及錄取設(shè)備和秒表，試驗(yàn)過(guò)程中不同無(wú)人艇使用精度相同的GPS或北斗(精度優(yōu)于1m)以及慣性設(shè)備為自主控制系統(tǒng)提供位置和航向信息，同一錄取設(shè)備錄取無(wú)人艇航行軌跡坐標(biāo)，同一秒表記錄無(wú)人艇自主航行時(shí)間；

(2)水域選擇：根據(jù)無(wú)人艇自主性能主要由自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能綜合決定，針對(duì)不同性能評(píng)估選擇水域：自主路徑規(guī)劃性能評(píng)估只在電子海圖上開(kāi)展，選擇電子海圖上復(fù)雜的水域，即選擇無(wú)人艇路徑起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)連線盡可能穿越多片陸地、多個(gè)島礁；自主路徑跟蹤性能評(píng)估和自主避碰性能評(píng)估在實(shí)際水域開(kāi)展，選擇空曠水域，如湖面或海面(水面無(wú)其它障礙物)，水域面積根據(jù)實(shí)際情況而定；

(3)性能評(píng)估：

①自主路徑規(guī)劃性能評(píng)估

在電子海圖上選擇無(wú)人艇路徑起點(diǎn)M和路徑目標(biāo)點(diǎn)N，線段盡可能穿越不同陸地及島礁(可將起點(diǎn)設(shè)置在比較狹窄的港灣內(nèi)，而將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在島礁眾多的區(qū)域)，直線距離S₁至少150nmile(目前國(guó)內(nèi)無(wú)人艇航程大致在300nmile內(nèi))；各無(wú)人艇根據(jù)給定的起點(diǎn)坐標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)在電子海圖上自主規(guī)劃從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)之間的路徑，規(guī)劃過(guò)程中嚴(yán)禁人工干預(yù)，自主路徑規(guī)劃完成后在電子海圖上顯示規(guī)劃出的路徑并提取各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，理論自主路徑規(guī)劃時(shí)間記為t₁，同時(shí)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)路徑總長(zhǎng)度ΔS₁，并記錄總規(guī)劃時(shí)間Δt₁；

②自主路徑跟蹤性能評(píng)估

將GPS或北斗布置在無(wú)人艇艙外相同位置處，錄取設(shè)備固定在艙內(nèi)，GPS或北斗與錄取設(shè)備連接，以10Hz頻率錄取經(jīng)緯度坐標(biāo)，無(wú)人艇從起點(diǎn)出發(fā)時(shí)刻記為t₂₁，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)刻記為t₂₂，無(wú)人艇起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間距離(路徑總長(zhǎng)度)S₂，自主路徑跟蹤過(guò)程中最高航速限定為V₂，從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的最短時(shí)間記t₂＝S₂/V₂；記錄從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)，自主路徑跟蹤過(guò)程中無(wú)人艇跟蹤軌跡坐標(biāo)；試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計(jì)算各實(shí)際跟蹤軌跡坐標(biāo)與各理論跟蹤軌跡坐標(biāo)之差μ_k，k＝1,2,...,m，m為實(shí)際錄取的軌跡點(diǎn)總數(shù)，并記錄總規(guī)劃時(shí)間Δt₂；

③自主避碰性能評(píng)估

在空曠水域內(nèi)設(shè)置無(wú)人艇起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，其直線距離為S₃(至少3km)，在起點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)連線中心處布置障礙物，障礙物上放置反射體；

將GPS或北斗布置在無(wú)人艇艙外相同位置處，錄取設(shè)備固定在艙內(nèi)，GPS或北斗與錄取設(shè)備連接，以10Hz頻率錄取經(jīng)緯度坐標(biāo)，無(wú)人艇從起點(diǎn)出發(fā)時(shí)刻記為t₃₁，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)刻記為t₃₂，航行過(guò)程中最高航速限定為V₃，從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的最短時(shí)間記t₃＝S₃/V₃，無(wú)人艇從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)自主航行過(guò)程中，根據(jù)傳感器所探測(cè)的障礙物距離、方位，局部重新規(guī)劃路徑以自主避開(kāi)障礙物，記錄從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)過(guò)程中無(wú)人艇軌跡坐標(biāo)；試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計(jì)算軌跡點(diǎn)總長(zhǎng)度ΔS₃，并記錄總規(guī)劃時(shí)間Δt₃；

(4)評(píng)估方法

采用以下無(wú)量綱公式分別評(píng)估自主路徑規(guī)劃性能Γ_{rou_plan}、自主路徑跟蹤性能Γ_{rou_trac}、自主避碰性能Γ_{anti_coll}：

其中，0≤σ₁,σ₃,σ₅≤，0≤σ₂,σ₄,σ₆≤1，σ₁+σ₂＝1，σ₃+σ₄＝1，σ₅+σ₆＝1，Δt₂＝t₂₂-t₂₁，Δt₃＝t₃₂-t₃₁。

按上述方案，每艘無(wú)人艇重復(fù)上述試驗(yàn)n次，n≥8，即自主路徑規(guī)劃、自主路徑跟蹤、自主避碰分別開(kāi)展n次，單次自主路徑規(guī)劃性能、單次自主路徑跟蹤性能、單次自主避碰性能分別記為i＝1,2,..,n，則最終的自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能計(jì)算公式分別如下：

無(wú)人艇自主性能Γ主要由自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能綜合決定，其計(jì)算公式如下：

其中，0≤ω₁,ω₂,ω₃≤1，ω₁+ω₂+ω₃＝1，ω₁,ω₂,ω₃根據(jù)實(shí)際情況而定；

通過(guò)比較Γ的大小來(lái)評(píng)估無(wú)人艇自主性能，Γ值越小，無(wú)人艇自主性能越好。

按上述方案，在自主路徑規(guī)劃性能評(píng)估中，式(1)中的參數(shù)作如下選擇σ₁≥0.9，σ₂≤0.1，t₁＝10(由于一般情況下無(wú)人艇出發(fā)之前有充足的時(shí)間開(kāi)展自主路徑規(guī)劃工作，且自主路徑規(guī)劃時(shí)間一般都在10s內(nèi)，而規(guī)劃出的路徑總長(zhǎng)度是否最短是大家比較關(guān)注的，也是自主路徑規(guī)劃性能主要評(píng)估指標(biāo)，實(shí)時(shí)性一般都能滿(mǎn)足要求，屬于性能評(píng)估中的次要因素)。

按上述方案，在自主路徑跟蹤和自主避碰過(guò)程中，時(shí)間和精度(或?qū)嶋H軌跡長(zhǎng)度)同時(shí)考慮，各自的權(quán)重根據(jù)實(shí)際情況選擇，式(2)及式(3)中的參數(shù)選擇σ₃＝0.5，σ₄＝0.5，σ₅＝0.5，σ₆＝0.5。

按上述方案，公式(7)中，選擇ω₁＝1/3，ω₂＝1/3，ω₃＝1/3。

按上述方案，所述步驟(2)中水域長(zhǎng)度至少5km，寬度至少500m。

按上述方案，自主避碰性能評(píng)估中，障礙物采用小船模擬，小船上放置反射體，小船通過(guò)拋錨或其它方式固定在湖底或海底，小船長(zhǎng)度和反射體大小、布置高低根據(jù)實(shí)際情況定(小船采用3m長(zhǎng)、1m寬左右)。

按上述方案，自主避碰性能評(píng)估中，若無(wú)人艇軌跡進(jìn)入以障礙物中心為圓心、半徑為R的圓內(nèi)，則無(wú)人艇自主避碰失敗，其中R滿(mǎn)足：2R＝1.5倍障礙物長(zhǎng)度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

1、本發(fā)明通過(guò)提出采用無(wú)人艇在有限距離內(nèi)自主規(guī)劃出的路徑長(zhǎng)度與時(shí)間，有限距離內(nèi)自主路徑跟蹤軌跡誤差和與時(shí)間，有限距離內(nèi)航行軌跡長(zhǎng)度與時(shí)間，并將已轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱參數(shù)的長(zhǎng)度與時(shí)間、軌跡誤差和與時(shí)間、軌跡長(zhǎng)度與時(shí)間進(jìn)行比例組合來(lái)評(píng)估無(wú)人艇自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能的高低或優(yōu)劣；

2、基于上述三種性能，采用權(quán)重分配組合來(lái)開(kāi)展無(wú)人艇自主性能綜合評(píng)估，同時(shí)提出了具體的評(píng)估流程，評(píng)估過(guò)程保障措施方便、評(píng)估方法簡(jiǎn)潔易行且科學(xué)合理，可在湖面或海上對(duì)無(wú)人艇自主性能開(kāi)展試驗(yàn)評(píng)估，成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外水面無(wú)人艇自主性能評(píng)估手段缺乏的空白；

3、本發(fā)明可用于對(duì)不同類(lèi)型水面無(wú)人艇自主性能高低尤其自主避碰性能高低開(kāi)展試驗(yàn)評(píng)估，是驗(yàn)證無(wú)人艇自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要手段。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)人艇自主路徑規(guī)劃性能評(píng)估示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)人艇自主路徑跟蹤性能評(píng)估示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)人艇自主避碰性能評(píng)估示意圖。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

(1)自主路徑規(guī)劃性能評(píng)估實(shí)施方式

如圖1所示，在電子海圖上選擇某一復(fù)雜區(qū)域，設(shè)置起點(diǎn)M和目標(biāo)點(diǎn)N，其直線距離為S₁，S₁≥150nmile，其連線穿過(guò)多片陸地及島礁。各無(wú)人艇根據(jù)給定的起點(diǎn)坐標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)在電子海圖上自主規(guī)劃從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)之間的路徑，規(guī)劃過(guò)程中嚴(yán)禁人工干預(yù)，自主路徑規(guī)劃完成后需在海圖上顯示規(guī)劃出的路徑并提取如圖1中A、B、C、D等各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)路徑總長(zhǎng)度ΔS₁，ΔS₁＝MA+AB+BC+CD+CN，并記錄總規(guī)劃時(shí)間Δt₁。

(2)自主路徑跟蹤性能評(píng)估實(shí)施方式

如圖2所示，在寬敞的湖面或海面上標(biāo)定無(wú)人艇需跟蹤的路徑，路徑總長(zhǎng)度為S₂(其長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況而定，一般至少5km)。試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人艇位于起點(diǎn)M，其自主路徑跟蹤終點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)N，自主路徑跟蹤中最高航速限制為V₂(如30kn)，則從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的最短時(shí)間t₂＝S₂/V₂；無(wú)人艇從起點(diǎn)出發(fā)時(shí)刻t₂₁開(kāi)始計(jì)時(shí)，至目標(biāo)點(diǎn)時(shí)刻t₂₂計(jì)時(shí)結(jié)束，記錄無(wú)人艇從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)過(guò)程中自主路徑跟蹤軌跡坐標(biāo)(所有的無(wú)人艇均采用相同GPS或北斗，精度優(yōu)于1m)，軌跡點(diǎn)頻率根據(jù)實(shí)際情況而定(一般可采用10Hz)。試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計(jì)算各實(shí)際跟蹤路徑軌跡坐標(biāo)與需跟蹤路徑軌跡坐標(biāo)之差μ_k(k＝1,2,...,m，m為實(shí)際錄取的軌跡點(diǎn)總數(shù))，并記錄總規(guī)劃時(shí)間Δt₂。

μ_k計(jì)算方法如下(以圖2中線段MA為例)：

根據(jù)M點(diǎn)坐標(biāo)和A點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算直線MA方程，具體計(jì)算方法可參考相關(guān)高中數(shù)學(xué)課本。獲得直線MA方程后即得到了經(jīng)緯度之間坐標(biāo)關(guān)系，之后將實(shí)際跟蹤路徑軌跡坐標(biāo)中的λ_i或代入直線MA方程，之后便得到理論緯度或經(jīng)度λ_k-true，則或μ_k＝λ_k-λ_k-true。

(3)自主避碰性能評(píng)估實(shí)施方式

如圖3所示，在寬敞的湖面或海面上標(biāo)定起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，其直線距離為S₃(其長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況而定，一般至少3km)，將障礙物布置于起點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)連線的中心位置處，障礙物上放置反射體。試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人艇位于起點(diǎn)M，其自主航行終點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)N，航行中最高航速限制為V₃(如30kn)，則從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的最短時(shí)間t₃＝S₃/V₃；無(wú)人艇從起點(diǎn)出發(fā)時(shí)刻t₃₁開(kāi)始計(jì)時(shí)，至目標(biāo)點(diǎn)時(shí)刻t₃₂計(jì)時(shí)結(jié)束，無(wú)人艇從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)自主航行過(guò)程中，根據(jù)傳感器所探測(cè)的障礙物距離、方位，將局部重新規(guī)劃路徑以自主避開(kāi)障礙物，記錄從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)過(guò)程中無(wú)人艇軌跡坐標(biāo)(所有的無(wú)人艇均采用相同的GPS或北斗，精度優(yōu)于1m)，軌跡點(diǎn)頻率根據(jù)實(shí)際情況而定(一般可采用10Hz)。試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計(jì)算軌跡點(diǎn)總長(zhǎng)度ΔS₃，并記錄總規(guī)劃時(shí)間Δt₃。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中若無(wú)人艇軌跡進(jìn)入以障礙物中心為圓心、半徑為R(2R＝1.5倍船長(zhǎng))的圓內(nèi)，則無(wú)人艇自主避碰失敗。

采用無(wú)量綱公式(1)～(3)分別評(píng)估自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能，式(1)～(3)中，一般選擇σ₁≥0.9，σ₂≤0.1，t₁＝10，σ₃＝0.5，σ₄＝0.5，σ₅＝0.5，σ₆＝0.5。

每艘無(wú)人艇重復(fù)上述試驗(yàn)n次(n≥8)，單次自主路徑規(guī)劃性能、單次自主路徑跟蹤性能、單次自主避碰性能分別記為(i＝1,2,..,n)，則最終的自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能計(jì)算公式分別如式(4)、(5)、(6)所示。

若第i次無(wú)人艇自主避碰失敗，則(ε＝5～10)，(j＝1,2,...,n,j≠i)。

無(wú)人艇自主性能Γ主要由自主路徑規(guī)劃性能、自主路徑跟蹤性能、自主避碰性能綜合決定，其計(jì)算公式如式(7)所示。

通過(guò)比較Γ的大小來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)人艇自主性能，Γ值越小，無(wú)人艇自主性能越高。

實(shí)施例中障礙物采用小船模擬，小船上放置反射體，小船長(zhǎng)3m左右、寬1m左右，小船通過(guò)拋錨或其它方式固定在湖底或海底。

本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)無(wú)人艇自主路徑規(guī)劃、自主路徑跟蹤、自主避碰等自主性能開(kāi)展評(píng)估。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。