CN111846139A - 一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水面无人艇自主航行研究设计领域，尤其是一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其根据自主循迹功能评估、自主感知性能评估及航向保持性能评估等三个方面，通过对无人艇航行时间、燃油量、航行路径等参数进行测量和计算，通过权重分配和归一化计算，对无人艇的航行性能进行定量、综合评估，考虑因素全面，评估方法科学合理，适用于湖泊、河流、海上等多种水上试验场地。

Description

一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法

技术领域

本发明涉及水面无人艇自主航行研究设计领域，尤其是一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法。

背景技术

水面无人艇是一种无人操作的、吨位小于等于500吨的水面船舶。通过加装不同的载荷***，在民用领域可执行巡逻、搜救、消防、应急响应、水文测量等任务，在军用领域可执行侦察、警戒、攻击、反潜、封锁与封锁、电子侦查与对抗等任务，而上述能力实现的基础是无人艇平台的自主航行功能。目前，国内针对水面无人艇自主航行性能，所提出的指标体系、考核手段与评估方法均较为简单，难以全面反映无人艇平台的自主航行性能。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其采用的技术方案如下：

一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，包括：

(1)自主循迹性能评估

①在试验场地中设置带有拐点的航行路径、起点及目标点，测定无人艇在航行路径上转角度的绝对值之和作为航迹平滑度TSM，根据无人艇的体积、水域流速等因素确定拐点处的捕获半径R，以拐点为圆心、捕获半径R为半径的圆形范围作为该拐点处的路径点，测量无人艇经过路径点时与拐点的最小距离dist_min，并与捕获半径R进行比较和计算得到路径点偏离度MD；

②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，其中航行时间T为

T＝t_e-t_s (1)

其中t_s为无人艇驶入航行区域的时间，t_e为无人艇驶出航行区域的时间，总耗油量E为

E＝E_e-E_s (2)

其中E_s为无人艇驶入航行区域时的燃油量，E_e为无人艇驶出航行区域时的燃油量；

③运用线性加权求和法，计算无人艇自主循迹性能评估值IND1

IND1＝k₁₁×TSM+k₁₂×MD+k₁₃×T+k₁₄×E (3)

k₁₁+k₁₂+k₁₃+k₁₄＝1； (4)

其中，k₃₁、k₃₂、k₃₃及k₃₄分别为航迹平滑度TSM、路径点偏离度MD、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；

(2)自主感知性能评估

①在试验场地中指定航行水域，在指定水域中设置无人艇航行起点和对水静止的障碍物，无人艇通过传感器设备识别障碍物并上报到岸基，之后返回起点，根据无人艇的体积、速度及外界环境，确定无人艇的最小安全避碰距离D_safe，将无人艇与障碍物的最小距离dis_min与最小安全避碰距离D_safe进行比较和计算得到探测危险度HBO；

②根据无人艇获取的障碍物信息完整度计算无人艇感应效果PER；

③记录无人艇从起点出发至完成探测任务后返回起点需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；

④运用线性加权求和法，计算无人艇自主感知性能评估值IND2

IND2＝k₂₁×HBO+k₂₂×PER+k₂₃×T+k₂₄×E (5)

k₂₁+k₂₂+k₂₃+k₂₄＝1； (6)

其中，k₂₁、k₂₂、k₂₃及k₂₄分别为探测危险度HBO、感应效果PER、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；

(3)自主航行性能评估

运用线性加权求和法，计算无人艇自主航行性能评估值TOT

TOT＝k₁×IND1+k₂×IND2 (7)

k₁+k₂＝1， (8)

其中，k₁及k₂分别为无人艇自主循迹性能IND1、自主感知性能IND2所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。

在上述方案的基础上，所述航迹平滑度TSM的计算公式为

其中θ_t为t时刻无人艇航向；

无人艇经过路径点时与拐点的最小距离dist_min的计算公式为

dist_min＝min{||p_t-p_t'||} (10)

其中p_t是无人艇在t时刻的地理坐标向量(x_t,y_t)，p_t'是路径点在t时刻的地理坐标向量(x_t',y_t')；

单路径点偏离度D的计算公式为

则无人艇经过n个路径点的偏离度MD计算公式为

所述探测危险度HBO为

HBO值越小，探测危险度越小；

岸基指挥中心处的专家根据无人艇获取的信息评价信息完整度S，评价依据为：

表1信息完整度评价表

序号	信息完整度S评价项目	分值
			1	捕获的目标照片	0.5
2	目标被发现时与无人艇的距离	0.1
			3	目标被发现时与无人艇的方位	0.1
4	障碍物目标经纬度坐标	0.1
			5	障碍物目标半径大小	0.2

其中每完成一项，累加对应分值，即为信息完整度S；

则无人艇感应效果PER为

PER＝1-S (14)

在上述方案的基础上，上述自主循迹性能评估和自主感知性能评估重复n次，并计算上述各参数的平均值，即

其中

为变量X的平均值，X_i为第i次测得的变量值；变量X分别指代航行时间T、总耗油量E、航迹平滑度TSM、路径点偏离度MD、探测危险度HBO及感应效果PER。

在上述方案的基础上，对所求得的平均值进行归一化处理，即

其中X^*为变量X的归一化值，X_min为各X_i中的最小值，即X_min＝min{X₁,X₂,Λ,X_n}，X_max为各X_i中的最大值，即X_max＝max{X₁,X₂,Λ,X_n}；

最终得到航行时间归一化值T^*、总耗油量归一化值E^*、航迹平滑度归一化值TSM^*、路径点偏离度归一化值MD^*、探测危险度归一化值HBO^*及感应效果归一化值PER^*，则无人艇自主循迹性能评估值IND1和无人艇自主感知性能评估值IND2的计算公式为

IND1＝k₁₁×TSM^*+k₁₂×MD^*+k₁₃×T^*+k₁₄×E^* (17)

IND2＝k₂₁×HBO^*+k₂₂×PER^*+k₂₃×T^*+k₂₄×E^* (18)

优选地，还包括航向保持性能评估：

①在试验场地中选择无人艇的航行路径、出发点及目标点，根据无人艇行驶时的方向计算其与预定航向θ之间的航向偏差Δθ，根据航行过程中的航向偏差Δθ计算航向偏差平滑度CDM；

②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；

③运用线性加权求和法，计算无人艇航向保持性能评估值IND3

IND3＝k₃₁×CDM+k₃₂×T+k₃₃×E (19)

k₃₁+k₃₂+k₃₃＝1 (20)

其中，k₃₁、k₃₂及k₃₃分别为航向偏差平滑度CDM、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定。

在上述方案的基础上，无人艇自主航行性能评估TOT为

TOT'＝k₁'×IND1+k₂'×IND2+k₃×IND3 (21)

k₁'+k₂'+k₃＝1， (22)

其中，k₁'、k₂'及k₃分别为无人艇自主循迹性能评估值IND1、自主感知性能评估值IND2、航向保持性能评估值IND3所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。

本发明的有益效果为：本方案通过对无人艇航行时间、燃油量、航行路径等参数进行测量和计算，综合评估无人艇自主航行过程中的自主循迹性能、自主感知性能及航向保持性能，通过权重分配和归一化计算，对无人艇的航行性能进行进行定量、综合评估，考虑因素全面，评估方法科学合理，适用于湖泊、河流、海上等多种水上试验场地。

附图说明

图1：无人艇自主循迹性能评估路径拐点处路径点范围示意图；

图2：无人艇自主循迹性能评估最小距离示意图；

图3：无人艇自主循迹性能评估路径跟踪试验示意图；

图4：无人艇自主感知性能评估试验示意图；

图5：无人艇航向保持性能试验示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

无人艇的自主航行性能评估主要包括以下三个部分

(1)自主循迹性能评估

如图1及图2所示，无人艇在自主循迹过程中，经过拐点时，一般不会直接经过该拐点，而是偏离该点一定距离，从而绕过该点继续循迹。试验时为各拐点设定捕获半径R，并规定以该拐点为中心和捕获半径R为半径的圆作为该拐点处的路径点，当无人艇进入该路径点，即无人艇距该路径点的值小于捕获半径，则认为无人艇成功经过该拐点。

①试验场景

如图3所示，设试验场地中有一对水静止的正八边形区域，每边长0.5km，试验中无人艇从A点出发，按逆时针方向，以15Kn的速度对正八边形航迹进行跟踪航行，无人艇再次到达A点时航行结束。

②性能评估计算

a.记录无人艇从A点出发的时间t_s和试验结束时的时间t_e，根据公式(1)计算航行时间T；

b.计算无人艇从A点出发的时的燃油量E_s和试验结束时的燃油量E_e，根据公式(2)计算总燃油量E；

c.试验中持续采集、测量无人艇在航行路径上转换角度的绝对值之和，根据公式(9)计算无人艇的航迹平滑度TSM；

d.持续测量并根据公式(10)-(12)计算无人艇距离拐点的最小距离dist_min、单路径点偏离度D及多路径点偏离度MD；

e.在上述试验场景进行多次试验，重复上述步骤a～e，根据每次航行结果分别计算得到每次测算的航行时间T、总燃油量E、航迹平滑度TSM以及多路径点偏离度MD，并根据公式(15)计算上述参数的平均值；

f.由该领域的专家学者根据各参数的重要性分配权重，根据公式(3)、(4)计算得到无人艇自主循迹性能评估值IND1。

(2)自主感知性能评估

自主感知性能是指无人艇在航行过程中探测障碍物的性能，如果在航行过程中无人艇探测障碍物时与障碍物距离过近，会威胁无人艇航行的安全性；如果对障碍物的探测内容不全，会使岸基指挥中心难以准确识别障碍物的信息和性质。在评估前由专家根据无人艇的体积大小、速度、外界环境等因素确定无人艇的最小安全避碰距离D_safe，无人艇与障碍物的距离小于D_safe时则视为对无人艇的航行安全性产生威胁。

①试验场景

如图4所示，在试验场地中指定航行水域，该水域为边长为3km的正方形区域，水域旁设置岸基指挥中心，在指定水域区域中设置无人艇航行起点和对水静止的障碍物，障碍物的数量可以为1个或多个，无人艇从指定起点出发，对水域中指定的障碍物完成探测后返回起点时试验结束。

无人艇对目标障碍物的感知可采用摄像头、光电、雷达、激光等传感器设备识别，并将识别结果传送至岸基指挥中心。

②性能评估计算

a.记录无人艇从A点出发的时间t_s和试验结束时的时间t_e，根据公式(1)计算航行时间T；

b.计算无人艇从A点出发的时的燃油量E_s和试验结束时的燃油量E_e，根据公式(2)计算总燃油量E；

c.持续采集并存储无人艇与障碍物的最小距离dis_min，其计算公式为

dis_min＝min{||p_{t_usv}-p_{t_obs}||} (23)

其中p_{t_usv}是无人艇在t时刻的地理坐标向量(x_{t_usv}，y_{t_usv})，p_{t_obs}是动态障碍物在t时刻的地理向量坐标(x_{t_obs}，y_{t_obs})；

d.根据上述计算结果及式(13)计算探测危险度HBO，HBO值越小，表明探测危险度越小；

e.无人艇将探测到的内容传回岸基指挥中心，根据表1的评价内容和评判标准对其获取信息完整度S进行评价，并根据式(14)计算无人艇感应效果PER；

f.对无人艇检测的n个障碍物的信息完整度S及感应效果PER求取平均值，作为无人艇自主感知性能的评价参数；

g.在试验场景内进行多次试验，重复上述步骤a～f，根据每次航行结果分别计算得到每次测算的航行时间T、总燃油量E、探测危险度HBO以及感应效果PER，并根据公式(15)计算上述参数的平均值；

h.由该领域的专家学者根据各参数的重要性分配权重，根据公式(5)及公式(6)计算得到无人艇自主避碰性能评估值IND2。

(3)根据上述评估、计算结果及公式(7)及(8)计算得到无人艇自主航行性能评估值TOT，该值越小，表明无人艇的自主航行性能越好。

实施例2

在实施例1的基础上，根据公式(16)分别计算得到航行时间归一化值T^*、总耗油量归一化值E^*、航迹平滑度归一化值TSM^*、路径点偏离度归一化值MD^*、探测危险度归一化值HBO^*及感应效果归一化值PER^*，基于上述计算结果，根据公式(17)及(18)计算无人艇自主循迹性能评估值IND1和无人艇自主感知性能评估值IND2。

实施例3

在上述实施例的基础上，水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法还包括航向保持性能评估：

①试验场景

如图5所示，设A、B分别为试验场地中对地静止的两点，两点相距1km，试验过程中，无人艇(标记为USV)从A点出发，以15kn的航速向B点航行，到达B点则试验结束。

②性能评估计算

a.根据A、B点的相对位置设定航向θ；

b.记录无人艇从A点出发的时间t_s和到达B点的时间t_e，根据公式(1)计算航行时间T；

c.计算无人艇从A点出发的时的燃油量E_s和到达B点时的燃油量E_e，根据公式(2)计算总燃油量E；

d.试验中持续采集、保存无人艇的实际航向，计算无人艇的航向偏差平滑度CDM：

Δθ_t＝θ_t-θ (24)

其中Δθ_t为t时刻的航向偏差，θ_t为t时刻的无人艇航向，θ为t时刻的设定航向；

所述航向偏差平滑度CDM的计算公式为

e.在A、B两点之间多次往返航行，重复上述步骤a～d，根据每次航行结果分别计算得到每次测算的航行时间T、总燃油量E以及航向偏差平滑度CDM，并根据公式(15)计算上述参数的平均值；

f.由该领域的专家学者根据各参数的重要性分配权重，根据公式(19)及公式(20)计算得到无人艇航向保持性能评估值IND3。

在上述评估和计算的基础上，将公式(7)、(8)分别修正为公式(21)、(22)，由专家评委对自主循迹性能IND1、自主感知性能IND2、自主航向保持性能评估值IND3进行权重分配和加权计算，最终得到由三方面性能综合评定得出的无人艇自主航行性能评估结果，自主航行性能与评估值大小呈反比。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其特征在于，包括：

(1)自主循迹性能评估

①在试验场地中设置带有拐点的航行路径、起点及目标点，测定无人艇在航行路径上转角度的绝对值之和作为航迹平滑度TSM，根据无人艇的体积、水域流速等因素确定拐点处的捕获半径R，以拐点为圆心、捕获半径R为半径的圆形范围作为该拐点处的路径点，测量无人艇经过路径点时与拐点的最小距离dist_min，并与捕获半径R进行比较和计算得到路径点偏离度MD；

②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，其中航行时间T为

T＝t_e-t_s (1)

其中t_s为无人艇驶入航行区域的时间，t_e为无人艇驶出航行区域的时间，

总耗油量E为

E＝E_e-E_s (2)

其中E_s为无人艇驶入航行区域时的燃油量，E_e为无人艇驶出航行区域时的燃油量；

③运用线性加权求和法，计算无人艇自主循迹性能评估值IND1

IND1＝k₁₁×TSM+k₁₂×MD+k₁₃×T+k₁₄×E (3)

k₁₁+k₁₂+k₁₃+k₁₄＝1； (4)

其中，k₃₁、k₃₂、k₃₃及k₃₄分别为航迹平滑度TSM、路径点偏离度MD、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；

(2)自主感知性能评估

①在试验场地中指定航行水域，在指定水域中设置无人艇航行起点和对水静止的障碍物，无人艇通过传感器设备识别障碍物并上报到岸基，之后返回起点，根据无人艇的体积、速度及外界环境，确定无人艇的最小安全避碰距离D_safe，将无人艇与障碍物的最小距离dis_min与最小安全避碰距离D_safe进行比较和计算得到探测危险度HBO；

②根据无人艇获取的障碍物信息完整度计算无人艇感应效果PER；

③记录无人艇从起点出发至完成探测任务后返回起点需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；

④运用线性加权求和法，计算无人艇自主感知性能评估值IND2

IND2＝k₂₁×HBO+k₂₂×PER+k₂₃×T+k₂₄×E (5)

k₂₁+k₂₂+k₂₃+k₂₄＝1； (6)

其中，k₂₁、k₂₂、k₂₃及k₂₄分别为探测危险度HBO、感应效果PER、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定；

(3)自主航行性能评估

运用线性加权求和法，计算无人艇自主航行性能评估值TOT

TOT＝k₁×IND1+k₂×IND2 (7)

k₁+k₂＝1， (8)

其中，k₁及k₂分别为无人艇自主循迹性能IND1、自主感知性能IND2所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。

2.根据权利要求1所述的一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其特征在于，所述航迹平滑度TSM的计算公式为

其中θ_t为t时刻无人艇航向；

无人艇经过路径点时与拐点的最小距离dist_min的计算公式为

dist_min＝min{||p_t-p_t'||} (10)

其中p_t是无人艇在t时刻的地理坐标向量(x_t,y_t)，p_t'是路径点在t时刻的地理坐标向量(x_t',y_t')；

单路径点偏离度D的计算公式为

则无人艇经过n个路径点的偏离度MD计算公式为

所述探测危险度HBO为

HBO值越小，探测危险度越小；

岸基指挥中心处的专家根据无人艇获取的信息评价信息完整度S，评价依据为：

表1 信息完整度评价表

序号 信息完整度S评价项目 分值 1 捕获的目标照片 0.5 2 目标被发现时与无人艇的距离 0.1 3 目标被发现时与无人艇的方位 0.1 4 障碍物目标经纬度坐标 0.1 5 障碍物目标半径大小 0.2

其中每完成一项，累加对应分值，即为信息完整度S；

则无人艇感应效果PER为

PER＝1-S (14)。

3.根据权利要求2所述的一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其特征在于，上述自主循迹性能评估和自主感知性能评估重复n次，并计算上述各参数的平均值，即

其中

为变量X的平均值，X_i为第i次测得的变量值；变量X分别指代航行时间T、总耗油量E、航迹平滑度TSM、路径点偏离度MD、探测危险度HBO及感应效果PER。

4.根据权利要求3所述的一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其特征在于，对所求得的平均值进行归一化处理，即

其中X^*为变量X的归一化值，X_min为各X_i中的最小值，即X_min＝min{X₁,X₂,Λ,X_n}，X_max为各X_i中的最大值，即X_max＝max{X₁,X₂,Λ,X_n}；

最终得到航行时间归一化值T^*、总耗油量归一化值E^*、航迹平滑度归一化值TSM^*、路径点偏离度归一化值MD^*、探测危险度归一化值HBO^*及感应效果归一化值PER^*，则无人艇自主循迹性能评估值IND1和无人艇自主感知性能评估值IND2的计算公式为

IND1＝k₁₁×TSM^*+k₁₂×MD^*+k₁₃×T^*+k₁₄×E^* (17)

IND2＝k₂₁×HBO^*+k₂₂×PER^*+k₂₃×T^*+k₂₄×E^* (18)。

5.根据权利要求1所述的一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其特征在于，还包括航向保持性能评估：

①在试验场地中选择无人艇的航行路径、出发点及目标点，根据无人艇行驶时的方向计算其与预定航向θ之间的航向偏差Δθ，根据航行过程中的航向偏差Δθ计算航向偏差平滑度CDM；

②记录无人艇完成航行过程需要的航行时间T及总耗油量E，计算公式分别如式(1)、式(2)所示；

③运用线性加权求和法，计算无人艇航向保持性能评估值IND3

IND3＝k₃₁×CDM+k₃₂×T+k₃₃×E (19)

k₃₁+k₃₂+k₃₃＝1 (20)

其中，k₃₁、k₃₂及k₃₃分别为航向偏差平滑度CDM、航行时间T及总耗油量E所分配的权重，各权重由专家确定。

6.根据权利要求5所述的一种水面无人艇智能航行性能综合量化评估方法，其特征在于，无人艇自主航行性能评估TOT为

TOT'＝k₁'×IND1+k₂'×IND2+k₃×IND3 (21)

k₁'+k₂'+k₃＝1， (22)

其中，k₁'、k₂'及k₃分别为无人艇自主循迹性能评估值IND1、自主感知性能评估值IND2、航向保持性能评估值IND3所分配的权重，各权重由专家确定，无人艇的自主航行性能与评估值大小呈反比。

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