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

背景技術(shù)：

水面無人艇作為一種無人操作的艦艇，具有體積小、航速快、機動性強、模塊化等特點，可用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)，簽于上述特點，近年來，水面無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，由于國內(nèi)尚未提出無人艇自主性能評估方法，難以對無人艇自主路徑規(guī)劃、自主路徑跟蹤、自主避碰等自主性能開展評估，不利于無人艇自主性能的改善和提升，因此有必要對無人艇自主性能評估方法開展研究，提出可在湖上或海上實施、操作簡單、保障方便、科學(xué)合理的試驗流程和評估方法，從而對不同單位研制的無人艇開展自主性能評估，充分了解國內(nèi)無人艇自主化水平，同時可作為相關(guān)無人艇競爭性研制項目中的評估手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種無人艇自主性能評估方法，以填補國內(nèi)水面無人艇自主性能評估手段缺乏的空白，可在湖面或海上對無人艇自主性能開展試驗評估，評估過程相對簡單，評估方法合理。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種無人艇自主性能評估方法，包括如下步驟：

(1)試驗工具準(zhǔn)備：試驗工具至少包括GPS或北斗、慣性設(shè)備以及錄取設(shè)備和秒表，試驗過程中不同無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)備錄取無人艇航行軌跡坐標(biāo)，同一秒表記錄無人艇自主航行時間；

(2)水域選擇：根據(jù)無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，針對不同性能評估選擇水域：自主路徑規(guī)劃性能評估只在電子海圖上開展，選擇電子海圖上復(fù)雜的水域，即選擇無人艇路徑起點和目標(biāo)點連線盡可能穿越多片陸地、多個島礁；自主路徑跟蹤性能評估和自主避碰性能評估在實際水域開展，選擇空曠水域，如湖面或海面(水面無其它障礙物)，水域面積根據(jù)實際情況而定；

(3)性能評估：

①自主路徑規(guī)劃性能評估

在電子海圖上選擇無人艇路徑起點M和路徑目標(biāo)點N，線段盡可能穿越不同陸地及島礁(可將起點設(shè)置在比較狹窄的港灣內(nèi)，而將目標(biāo)點設(shè)置在島礁眾多的區(qū)域)，直線距離S₁至少150nmile(目前國內(nèi)無人艇航程大致在300nmile內(nèi))；各無人艇根據(jù)給定的起點坐標(biāo)和目標(biāo)點坐標(biāo)在電子海圖上自主規(guī)劃從起點至目標(biāo)點之間的路徑，規(guī)劃過程中嚴(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)點坐標(biāo)，理論自主路徑規(guī)劃時間記為t₁，同時計算各節(jié)點路徑總長度ΔS₁，并記錄總規(guī)劃時間Δt₁；

②自主路徑跟蹤性能評估

將GPS或北斗布置在無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)，無人艇從起點出發(fā)時刻記為t₂₁，到達目標(biāo)點時刻記為t₂₂，無人艇起點和目標(biāo)點之間距離(路徑總長度)S₂，自主路徑跟蹤過程中最高航速限定為V₂，從起點至目標(biāo)點的最短時間記t₂＝S₂/V₂；記錄從起點至目標(biāo)點，自主路徑跟蹤過程中無人艇跟蹤軌跡坐標(biāo)；試驗結(jié)束后，進行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計算各實際跟蹤軌跡坐標(biāo)與各理論跟蹤軌跡坐標(biāo)之差μ_k，k＝1,2,...,m，m為實際錄取的軌跡點總數(shù)，并記錄總規(guī)劃時間Δt₂；

③自主避碰性能評估

在空曠水域內(nèi)設(shè)置無人艇起點和目標(biāo)點，其直線距離為S₃(至少3km)，在起點與目標(biāo)點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)，無人艇從起點出發(fā)時刻記為t₃₁，到達目標(biāo)點時刻記為t₃₂，航行過程中最高航速限定為V₃，從起點至目標(biāo)點的最短時間記t₃＝S₃/V₃，無人艇從起點至目標(biāo)點自主航行過程中，根據(jù)傳感器所探測的障礙物距離、方位，局部重新規(guī)劃路徑以自主避開障礙物，記錄從起點至目標(biāo)點過程中無人艇軌跡坐標(biāo)；試驗結(jié)束后，進行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計算軌跡點總長度ΔS₃，并記錄總規(guī)劃時間Δt₃；

(4)評估方法

采用以下無量綱公式分別評估自主路徑規(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，每艘無人艇重復(fù)上述試驗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、自主避碰性能計算公式分別如下：

無人艇自主性能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，其計算公式如下：

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

通過比較Γ的大小來評估無人艇自主性能，Γ值越小，無人艇自主性能越好。

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

按上述方案，在自主路徑跟蹤和自主避碰過程中，時間和精度(或?qū)嶋H軌跡長度)同時考慮，各自的權(quán)重根據(jù)實際情況選擇，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)中水域長度至少5km，寬度至少500m。

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

按上述方案，自主避碰性能評估中，若無人艇軌跡進入以障礙物中心為圓心、半徑為R的圓內(nèi)，則無人艇自主避碰失敗，其中R滿足：2R＝1.5倍障礙物長度。

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)明通過提出采用無人艇在有限距離內(nèi)自主規(guī)劃出的路徑長度與時間，有限距離內(nèi)自主路徑跟蹤軌跡誤差和與時間，有限距離內(nèi)航行軌跡長度與時間，并將已轉(zhuǎn)化為無量綱參數(shù)的長度與時間、軌跡誤差和與時間、軌跡長度與時間進行比例組合來評估無人艇自主路徑規(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)重分配組合來開展無人艇自主性能綜合評估，同時提出了具體的評估流程，評估過程保障措施方便、評估方法簡潔易行且科學(xué)合理，可在湖面或海上對無人艇自主性能開展試驗評估，成果填補了國內(nèi)外水面無人艇自主性能評估手段缺乏的空白；

3、本發(fā)明可用于對不同類型水面無人艇自主性能高低尤其自主避碰性能高低開展試驗評估，是驗證無人艇自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的重要手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例無人艇自主路徑規(guī)劃性能評估示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例無人艇自主路徑跟蹤性能評估示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例無人艇自主避碰性能評估示意圖。

具體實施方式

下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。

(1)自主路徑規(guī)劃性能評估實施方式

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M和目標(biāo)點N，其直線距離為S₁，S₁≥150nmile，其連線穿過多片陸地及島礁。各無人艇根據(jù)給定的起點坐標(biāo)和目標(biāo)點坐標(biāo)在電子海圖上自主規(guī)劃從起點至目標(biāo)點之間的路徑，規(guī)劃過程中嚴(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)點坐標(biāo)，同時計算各節(jié)點路徑總長度ΔS₁，ΔS₁＝MA+AB+BC+CD+CN，并記錄總規(guī)劃時間Δt₁。

(2)自主路徑跟蹤性能評估實施方式

如圖2所示，在寬敞的湖面或海面上標(biāo)定無人艇需跟蹤的路徑，路徑總長度為S₂(其長度根據(jù)實際情況而定，一般至少5km)。試驗過程中無人艇位于起點M，其自主路徑跟蹤終點為目標(biāo)點N，自主路徑跟蹤中最高航速限制為V₂(如30kn)，則從起點至目標(biāo)點的最短時間t₂＝S₂/V₂；無人艇從起點出發(fā)時刻t₂₁開始計時，至目標(biāo)點時刻t₂₂計時結(jié)束，記錄無人艇從起點至目標(biāo)點過程中自主路徑跟蹤軌跡坐標(biāo)(所有的無人艇均采用相同GPS或北斗，精度優(yōu)于1m)，軌跡點頻率根據(jù)實際情況而定(一般可采用10Hz)。試驗結(jié)束后，進行數(shù)據(jù)處理，剔除軌跡坐標(biāo)中的奇異值，之后計算各實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為實際錄取的軌跡點總數(shù))，并記錄總規(guī)劃時間Δt₂。

μ_k計算方法如下(以圖2中線段MA為例)：

根據(jù)M點坐標(biāo)和A點坐標(biāo)計算直線MA方程，具體計算方法可參考相關(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)自主避碰性能評估實施方式

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

采用無量綱公式(1)～(3)分別評估自主路徑規(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。

每艘無人艇重復(fù)上述試驗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、自主避碰性能計算公式分別如式(4)、(5)、(6)所示。

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

無人艇自主性能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，其計算公式如式(7)所示。

通過比較Γ的大小來評價無人艇自主性能，Γ值越小，無人艇自主性能越高。

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

本發(fā)明可根據(jù)實際需求對無人艇自主路徑規(guī)劃、自主路徑跟蹤、自主避碰等自主性能開展評估。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。