本發(fā)明屬于控制領域，涉及一種探測裝置的路徑規(guī)劃方法，尤其是一種水下探測裝置的路徑規(guī)劃方法，其主要目的是為了借助混沌的內(nèi)在特性來快速實現(xiàn)探測裝置路徑的合理規(guī)劃以及自動完成探測裝置協(xié)同工作時的路徑協(xié)同任務。

背景技術：

伴隨著對海洋資源的利用，以及對沉船等海底目標的搜索需要，水下探測裝置的作用已毋庸置疑。而自主性是水下探測裝置的重要指標。水下探測裝置的自主能力是指其具有和外部環(huán)境進行交互的能力，進而，具有自主確定行進路線、自主避障、自主簡單作業(yè)等功能?，F(xiàn)有探測裝置一般都要借助外界輔助（GPS等）來進行路徑規(guī)劃。對應的就需要探測裝置具有信號接收裝置和通信保障裝置，這無疑增加了成本，且隨著生產(chǎn)的探測裝置數(shù)量的增加，成本會累計的增加。此外，為了盡快找到目標，通常使用多個探測裝置同時進行搜索。而使用一般的探測裝置，此時就需要對所有參與的探測裝置進行路徑規(guī)劃并進行路徑協(xié)同，以防止出現(xiàn)碰撞和搜索區(qū)的重復。這無疑又增加了工作量和成本。因此，有必要考慮使用新的方法來在節(jié)省成本的條件下，更簡單高效的對探測裝置進行路徑規(guī)劃和路徑協(xié)同。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：提出一種基于混沌特性的水下探測裝置，能夠在不借助外界導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的情況下，快速實現(xiàn)探測裝置路徑的合理規(guī)劃，即實現(xiàn)探測裝置的自主行進和遍歷搜索。而且，當使用多個該型探測裝置進行聯(lián)合搜索時，無需再次進行路徑設定和探測裝置間的協(xié)同規(guī)劃。只需讓各個探測裝置從不同的位置下水即可，且各個下水地點無需彼此離的太遠。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案，主要包括九個步驟。

步驟一：根據(jù)柵格法為水下預定區(qū)域建立坐標系。

步驟二：由混沌序列發(fā)生器產(chǎn)生初始混沌序列，并完成相應的處理，以得到最終混沌序列。

步驟三：設定各個探測器的工作起點的坐標。對序列進行坐標變化使之和預定工作區(qū)域的坐標范圍基本保持一致，且使序列的起點和設定的工作起點基本重合。

步驟四：將混沌序列儲存在路徑規(guī)劃系統(tǒng)里，并使探測裝置在預定下水點（工作起點）附近下水,此時探測裝置定位系統(tǒng)開始工作，產(chǎn)生了探測裝置的坐標位置。

步驟五：障礙物識別系統(tǒng)開始工作，通過聲吶等探測技術發(fā)現(xiàn)障礙物并確定是固定障礙物還是運動障礙物。如是固定的則將其坐標發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如果是運動的則每隔一個時間點發(fā)送一次障礙物的坐標。

步驟六：目標比對系統(tǒng)開始工作，通過聲吶等探測技術對周圍空間進行探測，一旦發(fā)現(xiàn)目標即向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送發(fā)現(xiàn)目標的信號，否則不發(fā)送。

步驟七：信號發(fā)射系統(tǒng)處于待激活狀態(tài)，一旦接到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送的發(fā)現(xiàn)目標的信號即向外界發(fā)送目標的坐標信息。

步驟八：路徑規(guī)劃系統(tǒng)開始工作，通過混沌序列里對應的兩個相鄰的坐標，給出一條直線路徑，然后對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)給的數(shù)據(jù)進行分析，并給出最終路徑。其分析步驟如下：

1、如果信號處理系統(tǒng)給出固定障礙物的判定及其坐標，則計算該坐標與上述直線路徑的距離是否大于安全距離。如果是則將上述路徑對應的參數(shù)發(fā)給驅(qū)動系統(tǒng)，否則確定障礙物位于直線路徑的哪側，并從另一側進行繞行。

2、如果信號處理系統(tǒng)給出運動障礙物的判定及發(fā)送過來的時間序列和坐標序列的信息,則根據(jù)障礙物的運動趨勢來決定探測器的前進路徑或規(guī)避路徑。

步驟九：驅(qū)動系統(tǒng)開始工作，根據(jù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動探測裝置運動。

所述步驟二中，初始混沌序列指的是以利用混沌特性為目的的廣義的“混沌序列”。其應包括多種情況，例如：

1、根據(jù)某個混沌系統(tǒng)的動力學方程或某個混沌電路，通過采樣等方式得到一個混沌序列作為初始混沌序列。

2、對多個混沌序列的組合所得的序列作為初始混沌序列。

所述步驟二中，最終混沌序列指的是根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的運算速率和探測裝置的探測半徑等限制條件對初始混沌序列（序列的每個元素是一個三維坐標）進行非均勻采樣等處理，所得的序列再通過乘以一個合適的比例系數(shù)等變換方法處理后，使得所得的混沌序列對應的軌跡適合探測裝置使用（如圖2所示）。如果多次嘗試后所得的混沌序列仍不適合探測裝置使用，則重新選定初始混沌序列并按上述步驟重新嘗試。按照此法，直到所得的混沌序列適合探測裝置使用為止。

所述步驟五中的障礙物識別系統(tǒng)指的是以防止探測裝置無法繼續(xù)行進為目的的支持系統(tǒng)。故而，將障礙物信息預先置入探測裝置相關系統(tǒng)內(nèi)直接加以利用等方法依然屬于本障礙物識別系統(tǒng)的范疇。

所述步驟八中的路徑規(guī)劃系統(tǒng)指的是以利用混沌序列的上述特性為基礎構建的規(guī)劃系統(tǒng)。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、通過使用柵格法減少了硬件成本。

2、通過借助混沌的特性使得單個探測裝置實現(xiàn)了在預定水域里的遍歷，以確保無死角探測和高效探測。之所以高效，是因為探測裝置在預定水域里每個樣本點將只出現(xiàn)一次，且樣本點的完備性會隨著時間的推移得到徹底的保障。即使出現(xiàn)設備的不穩(wěn)定等其它干擾影響，樣本點的完備性也依然會隨著時間的推移得到徹底的保障。

3、通過借助混沌的特性實現(xiàn)了多個探測裝置協(xié)同工作時的自動規(guī)劃。即，隨著時間的推移各個探測裝置會離得越來越遠。加之，避障系統(tǒng)的引入，有效的解決了探測裝置的碰撞問題。故而，最終實現(xiàn)了多個探測裝置協(xié)同工作時，只需讓各個探測裝置從離的稍有距離的下水點下水即可。這樣，不僅減少了協(xié)同工作所需的硬件成本，降低了操作人員工作的難度，而且保證了協(xié)同工作的穩(wěn)定性。

4、本發(fā)明提出一種基于混沌特性的水下探測裝置，能夠在不借助外界導航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)自主行進和遍歷搜索。而且，當使用多個該型探測裝置進行聯(lián)合搜索時，無需再次進行路徑設定和探測裝置間的協(xié)同規(guī)劃。只需讓各個探測裝置從不同的位置下水即可，且下水地點無需彼此離的太遠。

附圖說明

圖1是新的Liu系統(tǒng)的混沌吸引子三維相圖，圖2是對混沌序列進行坐標變化以和水下預定區(qū)域的坐標范圍相匹配的示意圖。

圖3是新的Liu系統(tǒng)的從不同初始點開始演化的混沌軌道相互分離的示意圖。

圖4、圖5分別是新的Liu系統(tǒng)的從初始點（0，0.1，0）、（2.0，2.0，0.2）開始演化的混沌吸引子三維相圖。

圖6是基于混沌特性的水下探測裝置的系統(tǒng)結構框圖。

1.從初始點（2.4，2.2，0.8）開始演化的混沌軌道,2. 從初始點（2.0，2.0，0.2）開始演化的混沌軌道。

具體實施方式

為了驗證所提方法的正確性，現(xiàn)結合附圖和實施例作進一步的說明，基于混沌特性的水下探測裝置的系統(tǒng)結構框圖如圖6所示。

本發(fā)明設計的是一種基于混沌特性的水下探測裝置控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化技術來設計，其各個模塊相互獨立工作。系統(tǒng)包括混沌序列發(fā)生器、探測裝置定位系統(tǒng)、障礙物識別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、目標比對系統(tǒng)、信號發(fā)射系統(tǒng)。其中：通過探測裝置定位系統(tǒng)自行確定探測裝置當前的位置坐標；通過障礙物識別系統(tǒng)產(chǎn)生禁區(qū)信息；通過目標比對系統(tǒng)識別目標；通過混沌序列發(fā)生器產(chǎn)生混沌序列，并作為預設路徑；通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來完成對上述信息的綜合和處理，并給出行進路線；通過信號發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出成功信號；通過驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動探測裝置行進。

本水下探測裝置的路徑規(guī)劃方法包括下述步驟。

根據(jù)柵格法為水下預定區(qū)域建立坐標系。

由混沌序列發(fā)生器產(chǎn)生初始混沌序列，并完成相應的處理，以得到最終混沌序列。其中，初始混沌序列指的是以利用混沌特性為目的的廣義的“混沌序列”，其應包括多種情況，例如：

1、根據(jù)某個混沌系統(tǒng)的動力學方程或某個混沌電路，通過采樣等方式得到一個混沌序列作為初始混沌序列。

2、對多個混沌序列的組合所得的序列作為初始混沌序列。

這里，僅以混沌序列發(fā)生器根據(jù)某個混沌系統(tǒng)的動力學方程，通過采樣的方式產(chǎn)生初始混沌序列為例來加以介紹，其包括下述步驟：

1、根據(jù)某個混沌系統(tǒng)的動力學方程，這里僅以由Liu系統(tǒng)演化而來的新的三維非線性自治混沌動力學系統(tǒng)為例，其動力學方程如下：

dx/dt=a(z-x)+h(z^2)

dy/dt=by-dxz

dz/dt=ry-cz (1)

在這個新的Liu系統(tǒng)中，a=0.5,b=2.5,c=4,d=1,h=1,r=1。在這樣的參數(shù)條件下，這個新的三維自治動力學系統(tǒng)是一個混沌系統(tǒng)，其動力學行為是混沌振蕩的。為這個新的Liu系統(tǒng)選定一個初始值，這里設為（2.4，2.2，0.8）。則其在有限時間限定下的混沌吸引子三維相圖如圖1所示。

2、根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的運算速率和探測器的探測半徑等限制條件對初始混沌序列（序列的每個元素是一個三維坐標）進行非均勻采樣等處理，所得的序列再通過乘以一個合適的比例系數(shù)等變換方法處理后，使得所得的混沌序列對應的軌跡適合探測裝置使用（如圖2所示）。如果多次嘗試后所得的混沌序列仍不適合探測裝置使用，則重新選定初始混沌序列并按上述步驟重新嘗試。按照此法，直到所得的混沌序列適合探測裝置使用為止。由此，得到所需的最終混沌序列。

設定各個探測裝置的下水點的坐標，這里選擇（2.4，2.2，0.8）、（2.0,2.0,0.2）。其對應的混沌吸引子三維相圖分別如圖4、圖5所示。

對序列進行坐標變化使之和水下預定區(qū)域的坐標范圍基本保持一致，且使序列的起點和設定的下水點基本重合。

將混沌序列儲存在路徑規(guī)劃系統(tǒng)里，并使探測裝置在預定下水點附近下水，此時探測裝置定位系統(tǒng)開始工作，產(chǎn)生了探測裝置的坐標位置。

障礙物識別系統(tǒng)開始工作，所述的障礙物識別系統(tǒng)指的是以防止探測裝置無法繼續(xù)行進為目的的支持系統(tǒng)。故而，將障礙物信息預先置入探測裝置相關系統(tǒng)內(nèi)直接加以利用等方法依然屬于本障礙物識別系統(tǒng)的范疇。這里，可通過聲吶等探測技術發(fā)現(xiàn)障礙物并確定是固定障礙物還是運動障礙物。如是固定的則將其坐標發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如果是運動的則每隔一個時間點發(fā)送一次障礙物的坐標。

目標比對系統(tǒng)開始工作，通過聲吶等探測技術對周圍空間進行探測，一旦發(fā)現(xiàn)目標即向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送發(fā)現(xiàn)目標的信號，否則不發(fā)送。

信號發(fā)射系統(tǒng)處于待激活狀態(tài)，一旦接到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送的發(fā)現(xiàn)目標的信號即向外界發(fā)送目標的坐標信息。

路徑規(guī)劃系統(tǒng)開始工作，所述的路徑規(guī)劃系統(tǒng)指的是以利用混沌序列的上述特性為基礎構建的規(guī)劃系統(tǒng)。通過混沌序列里對應的兩個相鄰的坐標，給出一條直線路徑，然后對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)給的數(shù)據(jù)進行分析，分析步驟如下：

1、如果信號處理系統(tǒng)給出固定障礙物的判定及其坐標，則計算該坐標與上述直線路徑的距離是否大于安全距離。如果是則將上述路徑對應的參數(shù)發(fā)給驅(qū)動系統(tǒng)，否則確定障礙物位于直線路徑的哪側，并從另一側進行繞行。

2、如果信號處理系統(tǒng)給出運動障礙物的判定及發(fā)送過來的時間序列和坐標序列的信息,則根據(jù)障礙物的運動趨勢來決定探測裝置的前進路徑或規(guī)避路徑。

驅(qū)動系統(tǒng)開始工作，根據(jù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動探測裝置運動。

本發(fā)明的工作原理

在介紹本發(fā)明的工作原理前首先給出相關概念的介紹：

1、相空間：為了便于描述動力學系統(tǒng)的狀態(tài)，引入一個假想的空間-相空間。系統(tǒng)的相空間代表系統(tǒng)的全部可能的狀態(tài)。系統(tǒng)每個可能的狀態(tài)都惟一對應于相空間里的一個點。由此，一個動力學系統(tǒng)在給定時刻的狀態(tài)可以由相空間中的一點來表示，此點稱為代表點。動力學系統(tǒng)的運動可由代表點在相空間中隨時間描出的一根曲線來表示，此曲線稱為相軌道。初值條件即系統(tǒng)在相空間中的起始點。對一個動力學系統(tǒng)，一個起始點只對應一條相軌跡。

2、混沌的主要特征：一般來說，一個確定性的動力系統(tǒng)有三種定常狀態(tài)，即平衡狀態(tài)、周期振蕩和準周期振蕩。而混沌振蕩則與這三種狀態(tài)截然不同，它是一種不穩(wěn)定的有限定常運動，局限在有限區(qū)域但軌道永不重復而且具有遍歷性和對初值的敏感依賴性的動力學振蕩行為。此外，混沌系統(tǒng)具有類隨機性，即，確定性系統(tǒng)的內(nèi)在偽隨機性。

3、混沌的遍歷性是指：在混沌系統(tǒng)所對應的有限空間內(nèi)（如圖1所示），混沌系統(tǒng)于任一起始點開始演化的軌道終將填滿整個空間，即整個有限空間里的每一個點，該軌道都將經(jīng)過。而且，每個點軌道經(jīng)過且僅經(jīng)過一次。

4、混沌系統(tǒng)對初值的敏感依賴性，表現(xiàn)為對于任一混沌動力學系統(tǒng)從任意倆個靠近的初始值出發(fā)的相軌道在一定的時間區(qū)間內(nèi)將會以指數(shù)形式分離（如圖3所示）。系統(tǒng)初始值極其微小的改變，能夠使系統(tǒng)的振蕩輸出產(chǎn)生本質(zhì)的差異。這是非線性混沌動力學系統(tǒng)的固有特性。

5、確定性系統(tǒng)的內(nèi)在偽隨機性：首先系統(tǒng)是確定性系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的解也是確定的。其次，因為混沌系統(tǒng)對初值極度敏感，即從相距非常近的倆個起點出發(fā)，運動的軌跡會相距的越來越遠。而所有測量工具都有最小刻度值，即測量操作產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不可消除，故而在刻畫混沌系統(tǒng)時不可避免的要對其狀態(tài)值進行近似。這樣，隨著時間的推移，所得結果和真實結果的誤差會越來越大，直到所得結果變成錯誤結果，即混沌的長期行為無法預測，也即混沌的長期行為具有隨機性。

工作原理：劃定預定水域，選擇合適的混沌函數(shù)來產(chǎn)生混沌序列，并對混沌序列進行相應的變換使其對應的軌道大體可以覆蓋預定水域。這樣，利用混沌局限在有限區(qū)域但軌道永不重復而且具有遍歷性的特性，再結合探測裝置的探測半徑來設定最終的混沌序列，保障了探測裝置行進軌道上的各個預定工作點（即，樣本）滿足采樣的合理性，實現(xiàn)了探測的高效性。同時，利用混沌對初值的極度敏感性，保障了多個探測裝置聯(lián)合使用時，可以省去協(xié)同規(guī)劃部分，快速實現(xiàn)聯(lián)合工作。這對于水下探測裝置的發(fā)展和應用具有得天獨厚的優(yōu)越性。

需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而非限定性的，因此，本發(fā)明并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是根據(jù)本發(fā)明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明的保護范圍。