CN106779132A - 基于混沌特性的水下探测装置 - Google Patents

基于混沌特性的水下探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌特性的水下探测装置，该探测装置包括混沌序列发生器、路径规划***、探测装置定位***、障碍物识别***、数据处理***、驱动***、目标比对***、信号发射***。本发明的基于混沌特性的水下探测装置，能够在不借助外界导航***和控制***的情况下，快速实现探测装置路径的合理规划，即实现探测装置的自主行进和遍历搜索。而且，当使用多个该型探测装置进行联合搜索时，无需再次进行路径设定和探测装置间的协同规划。只需让各个探测装置从不同的位置下水即可，且各个下水地点无需彼此离的太远。

Description

基于混沌特性的水下探测装置
技术领域
本发明属于控制领域，涉及一种探测装置的路径规划方法，尤其是一种水下探测装置的路径规划方法，其主要目的是为了借助混沌的内在特性来快速实现探测装置路径的合理规划以及自动完成探测装置协同工作时的路径协同任务。
背景技术
伴随着对海洋资源的利用，以及对沉船等海底目标的搜索需要，水下探测装置的作用已毋庸置疑。而自主性是水下探测装置的重要指标。水下探测装置的自主能力是指其具有和外部环境进行交互的能力，进而，具有自主确定行进路线、自主避障、自主简单作业等功能。现有探测装置一般都要借助外界辅助（GPS等）来进行路径规划。对应的就需要探测装置具有信号接收装置和通信保障装置，这无疑增加了成本，且随着生产的探测装置数量的增加，成本会累计的增加。此外，为了尽快找到目标，通常使用多个探测装置同时进行搜索。而使用一般的探测装置，此时就需要对所有参与的探测装置进行路径规划并进行路径协同，以防止出现碰撞和搜索区的重复。这无疑又增加了工作量和成本。因此，有必要考虑使用新的方法来在节省成本的条件下，更简单高效的对探测装置进行路径规划和路径协同。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于混沌特性的水下探测装置，能够在不借助外界导航***和控制***的情况下，快速实现探测装置路径的合理规划，即实现探测装置的自主行进和遍历搜索。而且，当使用多个该型探测装置进行联合搜索时，无需再次进行路径设定和探测装置间的协同规划。只需让各个探测装置从不同的位置下水即可，且各个下水地点无需彼此离的太远。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，主要包括九个步骤。
步骤一：根据栅格法为水下预定区域建立坐标系。
步骤二：由混沌序列发生器产生初始混沌序列，并完成相应的处理，以得到最终混沌序列。
步骤三：设定各个探测器的工作起点的坐标。对序列进行坐标变化使之和预定工作区域的坐标范围基本保持一致，且使序列的起点和设定的工作起点基本重合。
步骤四：将混沌序列储存在路径规划***里，并使探测装置在预定下水点（工作起点）附近下水,此时探测装置定位***开始工作，产生了探测装置的坐标位置。
步骤五：障碍物识别***开始工作，通过声呐等探测技术发现障碍物并确定是固定障碍物还是运动障碍物。如是固定的则将其坐标发送给数据处理***，如果是运动的则每隔一个时间点发送一次障碍物的坐标。
步骤六：目标比对***开始工作，通过声呐等探测技术对周围空间进行探测，一旦发现目标即向数据处理***发送发现目标的信号，否则不发送。
步骤七：信号发射***处于待激活状态，一旦接到数据处理***发送的发现目标的信号即向外界发送目标的坐标信息。
步骤八：路径规划***开始工作，通过混沌序列里对应的两个相邻的坐标，给出一条直线路径，然后对数据处理***给的数据进行分析，并给出最终路径。其分析步骤如下：
1、如果信号处理***给出固定障碍物的判定及其坐标，则计算该坐标与上述直线路径的距离是否大于安全距离。如果是则将上述路径对应的参数发给驱动***，否则确定障碍物位于直线路径的哪侧，并从另一侧进行绕行。
2、如果信号处理***给出运动障碍物的判定及发送过来的时间序列和坐标序列的信息,则根据障碍物的运动趋势来决定探测器的前进路径或规避路径。
步骤九：驱动***开始工作，根据路径规划***发来的数据，驱动探测装置运动。
所述步骤二中，初始混沌序列指的是以利用混沌特性为目的的广义的“混沌序列”。其应包括多种情况，例如：
1、根据某个混沌***的动力学方程或某个混沌电路，通过采样等方式得到一个混沌序列作为初始混沌序列。
2、对多个混沌序列的组合所得的序列作为初始混沌序列。
所述步骤二中，最终混沌序列指的是根据数据处理***的运算速率和探测装置的探测半径等限制条件对初始混沌序列（序列的每个元素是一个三维坐标）进行非均匀采样等处理，所得的序列再通过乘以一个合适的比例系数等变换方法处理后，使得所得的混沌序列对应的轨迹适合探测装置使用（如图2所示）。如果多次尝试后所得的混沌序列仍不适合探测装置使用，则重新选定初始混沌序列并按上述步骤重新尝试。按照此法，直到所得的混沌序列适合探测装置使用为止。
所述步骤五中的障碍物识别***指的是以防止探测装置无法继续行进为目的的支持***。故而，将障碍物信息预先置入探测装置相关***内直接加以利用等方法依然属于本障碍物识别***的范畴。
所述步骤八中的路径规划***指的是以利用混沌序列的上述特性为基础构建的规划***。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、通过使用栅格法减少了硬件成本。
2、通过借助混沌的特性使得单个探测装置实现了在预定水域里的遍历，以确保无死角探测和高效探测。之所以高效，是因为探测装置在预定水域里每个样本点将只出现一次，且样本点的完备性会随着时间的推移得到彻底的保障。即使出现设备的不稳定等其它干扰影响，样本点的完备性也依然会随着时间的推移得到彻底的保障。
3、通过借助混沌的特性实现了多个探测装置协同工作时的自动规划。即，随着时间的推移各个探测装置会离得越来越远。加之，避障***的引入，有效的解决了探测装置的碰撞问题。故而，最终实现了多个探测装置协同工作时，只需让各个探测装置从离的稍有距离的下水点下水即可。这样，不仅减少了协同工作所需的硬件成本，降低了操作人员工作的难度，而且保证了协同工作的稳定性。
4、本发明提出一种基于混沌特性的水下探测装置，能够在不借助外界导航***和控制***的情况下，实现自主行进和遍历搜索。而且，当使用多个该型探测装置进行联合搜索时，无需再次进行路径设定和探测装置间的协同规划。只需让各个探测装置从不同的位置下水即可，且下水地点无需彼此离的太远。
附图说明
图1是新的Liu***的混沌吸引子三维相图，图2是对混沌序列进行坐标变化以和水下预定区域的坐标范围相匹配的示意图。
图3是新的Liu***的从不同初始点开始演化的混沌轨道相互分离的示意图。
图4、图5分别是新的Liu***的从初始点（0，0.1，0）、（2.0，2.0，0.2）开始演化的混沌吸引子三维相图。
图6是基于混沌特性的水下探测装置的***结构框图。
1.从初始点（2.4，2.2，0.8）开始演化的混沌轨道,2. 从初始点（2.0，2.0，0.2）开始演化的混沌轨道。
具体实施方式
为了验证所提方法的正确性，现结合附图和实施例作进一步的说明，基于混沌特性的水下探测装置的***结构框图如图6所示。
本发明设计的是一种基于混沌特性的水下探测装置控制***，该***采用模块化技术来设计，其各个模块相互独立工作。***包括混沌序列发生器、探测装置定位***、障碍物识别***、数据处理***、驱动***、目标比对***、信号发射***。其中：通过探测装置定位***自行确定探测装置当前的位置坐标；通过障碍物识别***产生禁区信息；通过目标比对***识别目标；通过混沌序列发生器产生混沌序列，并作为预设路径；通过数据处理***来完成对上述信息的综合和处理，并给出行进路线；通过信号发射***发出成功信号；通过驱动***驱动探测装置行进。
本水下探测装置的路径规划方法包括下述步骤。
根据栅格法为水下预定区域建立坐标系。
由混沌序列发生器产生初始混沌序列，并完成相应的处理，以得到最终混沌序列。其中，初始混沌序列指的是以利用混沌特性为目的的广义的“混沌序列”，其应包括多种情况，例如：
1、根据某个混沌***的动力学方程或某个混沌电路，通过采样等方式得到一个混沌序列作为初始混沌序列。
2、对多个混沌序列的组合所得的序列作为初始混沌序列。
这里，仅以混沌序列发生器根据某个混沌***的动力学方程，通过采样的方式产生初始混沌序列为例来加以介绍，其包括下述步骤：
1、根据某个混沌***的动力学方程，这里仅以由Liu***演化而来的新的三维非线性自治混沌动力学***为例，其动力学方程如下：
dx/dt=a(z-x)+h(z^2)
dy/dt=by-dxz
dz/dt=ry-cz (1)
在这个新的Liu***中，a=0.5,b=2.5,c=4,d=1,h=1,r=1。在这样的参数条件下，这个新的三维自治动力学***是一个混沌***，其动力学行为是混沌振荡的。为这个新的Liu***选定一个初始值，这里设为（2.4，2.2，0.8）。则其在有限时间限定下的混沌吸引子三维相图如图1所示。
2、根据数据处理***的运算速率和探测器的探测半径等限制条件对初始混沌序列（序列的每个元素是一个三维坐标）进行非均匀采样等处理，所得的序列再通过乘以一个合适的比例系数等变换方法处理后，使得所得的混沌序列对应的轨迹适合探测装置使用（如图2所示）。如果多次尝试后所得的混沌序列仍不适合探测装置使用，则重新选定初始混沌序列并按上述步骤重新尝试。按照此法，直到所得的混沌序列适合探测装置使用为止。由此，得到所需的最终混沌序列。
设定各个探测装置的下水点的坐标，这里选择（2.4，2.2，0.8）、（2.0,2.0,0.2）。其对应的混沌吸引子三维相图分别如图4、图5所示。
对序列进行坐标变化使之和水下预定区域的坐标范围基本保持一致，且使序列的起点和设定的下水点基本重合。
将混沌序列储存在路径规划***里，并使探测装置在预定下水点附近下水，此时探测装置定位***开始工作，产生了探测装置的坐标位置。
障碍物识别***开始工作，所述的障碍物识别***指的是以防止探测装置无法继续行进为目的的支持***。故而，将障碍物信息预先置入探测装置相关***内直接加以利用等方法依然属于本障碍物识别***的范畴。这里，可通过声呐等探测技术发现障碍物并确定是固定障碍物还是运动障碍物。如是固定的则将其坐标发送给数据处理***，如果是运动的则每隔一个时间点发送一次障碍物的坐标。
目标比对***开始工作，通过声呐等探测技术对周围空间进行探测，一旦发现目标即向数据处理***发送发现目标的信号，否则不发送。
信号发射***处于待激活状态，一旦接到数据处理***发送的发现目标的信号即向外界发送目标的坐标信息。
路径规划***开始工作，所述的路径规划***指的是以利用混沌序列的上述特性为基础构建的规划***。通过混沌序列里对应的两个相邻的坐标，给出一条直线路径，然后对数据处理***给的数据进行分析，分析步骤如下：
1、如果信号处理***给出固定障碍物的判定及其坐标，则计算该坐标与上述直线路径的距离是否大于安全距离。如果是则将上述路径对应的参数发给驱动***，否则确定障碍物位于直线路径的哪侧，并从另一侧进行绕行。
2、如果信号处理***给出运动障碍物的判定及发送过来的时间序列和坐标序列的信息,则根据障碍物的运动趋势来决定探测装置的前进路径或规避路径。
驱动***开始工作，根据路径规划***发来的数据，驱动探测装置运动。
本发明的工作原理
在介绍本发明的工作原理前首先给出相关概念的介绍：
1、相空间：为了便于描述动力学***的状态，引入一个假想的空间-相空间。***的相空间代表***的全部可能的状态。***每个可能的状态都惟一对应于相空间里的一个点。由此，一个动力学***在给定时刻的状态可以由相空间中的一点来表示，此点称为代表点。动力学***的运动可由代表点在相空间中随时间描出的一根曲线来表示，此曲线称为相轨道。初值条件即***在相空间中的起始点。对一个动力学***，一个起始点只对应一条相轨迹。
2、混沌的主要特征：一般来说，一个确定性的动力***有三种定常状态，即平衡状态、周期振荡和准周期振荡。而混沌振荡则与这三种状态截然不同，它是一种不稳定的有限定常运动，局限在有限区域但轨道永不重复而且具有遍历性和对初值的敏感依赖性的动力学振荡行为。此外，混沌***具有类随机性，即，确定性***的内在伪随机性。
3、混沌的遍历性是指：在混沌***所对应的有限空间内（如图1所示），混沌***于任一起始点开始演化的轨道终将填满整个空间，即整个有限空间里的每一个点，该轨道都将经过。而且，每个点轨道经过且仅经过一次。
4、混沌***对初值的敏感依赖性，表现为对于任一混沌动力学***从任意俩个靠近的初始值出发的相轨道在一定的时间区间内将会以指数形式分离（如图3所示）。***初始值极其微小的改变，能够使***的振荡输出产生本质的差异。这是非线性混沌动力学***的固有特性。
5、确定性***的内在伪随机性：首先***是确定性***，因此，***的解也是确定的。其次，因为混沌***对初值极度敏感，即从相距非常近的俩个起点出发，运动的轨迹会相距的越来越远。而所有测量工具都有最小刻度值，即测量操作产生的***误差不可消除，故而在刻画混沌***时不可避免的要对其状态值进行近似。这样，随着时间的推移，所得结果和真实结果的误差会越来越大，直到所得结果变成错误结果，即混沌的长期行为无法预测，也即混沌的长期行为具有随机性。
工作原理：划定预定水域，选择合适的混沌函数来产生混沌序列，并对混沌序列进行相应的变换使其对应的轨道大体可以覆盖预定水域。这样，利用混沌局限在有限区域但轨道永不重复而且具有遍历性的特性，再结合探测装置的探测半径来设定最终的混沌序列，保障了探测装置行进轨道上的各个预定工作点（即，样本）满足采样的合理性，实现了探测的高效性。同时，利用混沌对初值的极度敏感性，保障了多个探测装置联合使用时，可以省去协同规划部分，快速实现联合工作。这对于水下探测装置的发展和应用具有得天独厚的优越性。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而非限定性的，因此，本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于混沌特性的水下探测装置，其特征在于，包括所利用的混沌特性和下述步骤：
特性一: 混沌局限在有限区域但轨道永不重复而且具有遍历性；
特性二: 混沌对初值具有极度敏感性；
步骤一：根据栅格法为水下预定区域建立坐标系；
步骤二：由混沌序列发生器产生初始混沌序列，并完成相应的变换处理，以得到最终混沌序列；
步骤三：设定各个探测装置的工作起点的坐标，对序列进行坐标变化使之和预定工作区域的坐标范围基本保持一致，且使序列的起点和设定的工作起点基本重合；
步骤四：将混沌序列储存在路径规划***里，并使探测装置在预定工作起点附近下水，此时探测装置定位***开始工作，产生了探测装置的坐标位置；
步骤五：障碍物识别***开始工作，通过声呐等探测技术发现障碍物并确定是固定障碍物还是运动障碍物，如是固定的则将其坐标发送给数据处理***，如果是运动的则每隔一个时间点发送一次障碍物的坐标；
步骤六：目标比对***开始工作，通过声呐等探测技术对周围空间进行探测，一旦发现目标即向数据处理***发送发现目标的信号，否则不发送；
步骤七：信号发射***处于待激活状态，一旦接到数据处理***发送的发现目标的信号即向外界发送目标的坐标信息；
步骤八：路径规划***开始工作，通过混沌序列里对应的两个相邻的坐标，给出一条直线路径，然后对数据处理***给的数据进行分析，并给出最终路径；
步骤九：驱动***开始工作，根据路径规划***发来的数据，驱动探测器运动。
2.根据权利要求1所述的基于混沌特性的水下探测装置，其特征在于：所述的初始混沌序
列指的是以利用混沌的上述特性为目的的广义的“混沌序列”。
3.根据权利要求1所述的基于混沌特性的水下探测装置，其特征在于：所述的最终混沌
序列指的是通过对初始混沌序列进行一系列处理，使所得的序列对应的轨迹适合探测装置使用，且可重新选定初始混沌序列，直到所得的混沌序列适合探测装置使用为止。
4.根据权利要求1所述的基于混沌特性的水下探测装置，其特征在于：所述的障碍物识别***指的是以防止探测装置无法继续行进为目的的支持***。
5.根据权利要求1所述的基于混沌特性的水下探测装置，其特征在于：所述的路径规划***指的是以利用混沌序列的上述特性为基础构建的规划***。
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