[发明专利]面向多导航站接力导航的运动体路径规划方法

说明书

技术领域

本发明属于运动体路径规划研究领域，具体涉及一种面向多导航站接力导航的运动体路径规划方法，用于实现海、陆、空不同情形多约束条件下运动体从起点到终点的路径规划。

背景技术

运动体的多导航站接力导航是通过散布于不同空间位置且导航作用范围能够覆盖较大空间的多个导航站依次为运动体接续导航的联合导航方法。这种导航方式不仅可靠性强，而且可以有效延伸运动体的可控飞行范围。面向多导航站接力导航的运动体路径规划问题是实现这种具有前沿性的先进导航方式所需解决的一个关键问题，需要考虑三个基本约束条件，即导航范围约束、导航交接约束、运动体机动能力约束。其中，运动体机动能力约束用运动体曲率约束表示，导航范围约束和导航交接约束使得本发明中的路径规划问题有别于一般的路径规划问题，也是本发明中路径规划问题的主要难点。

运动体有多种导航方式，包括自身导航和外部导航，外部导航包括卫星导航、导航站导航等。其中，运动体自身导航方式精度有限且易受干扰，卫星导航方式易遭破坏且造价成本高，而导航站导航方式可靠性强，且可通过多站联合接力导航的方式为运动体执行远程任务提供路径导引。

发明内容

为了有效延伸运动体的可控移动范围，提高导航的可靠性，本发明提供了一种面向多导航站接力导航的运动体路径规划方法。该方法是在考虑导航站导航范围约束、导航交接约束和运动体曲率约束的前提下，为运动体规划出一条能够各种满足各种约束条件且快速从起点抵达终点的水平二维空间路径。

实现本发明的技术方案如下：

一种面向多导航站接力导航的运动体路径规划方法，步骤为：

步骤0、输入路径规划信息，具体包括：运动体起点和终点位置信息、导航站导航范围约束信息、导航站导航交接约束信息和运动体曲率约束信息；所述导航站导航范围约束信息是指导航站中心的坐标及有效作用范围，即运动体从起点到终点的整条路径须全部位于导航圆内；所述导航圆表示导航站有效作用范围，半径为r；所述导航站导航交接约束是指确保导航交接成功而设定的运动体在交接区域内的最短路径长度D；所述导航交接是指多个导航站之间移交运动体的导航权；所述交接区域是指两个导航圆之间的重叠区域；所述运动体曲率约束信息是指运动体最小转弯半径r_tc，路点之间采用限定曲率的Dubins路径连接；

步骤1、判断导航交接约束的难易程度，并用难易系数γ_j表示难易程度；γ_j为第j个交接区域内导航交接约束D_j与导航交接区域最长Dubins路径长度l_max的比值；若γ_j＜0.7，采用基于Dubins路径的路径规划方法，即采用步骤2至5的方法获得最终路径；若γ_j≥0.7，采用基于交接区域内最长路径模式的Dubins路径规划方法，即采用步骤6获得最终路径；

步骤2、随机生成初始路径种群；一条路径由起点位置、终点位置和中间路点的位置及朝向共同确定；所述中间路点是指除起点和终点之外的路点；

其中，中间路点与中间路点之间采用Dubins的“CLC”路径连接；

将中间路点设置在交接区域边界弧上，随机生成多条路径组成初始路径种群，其中，中间路点的位置在所属边界弧上随机生成，中间路点的朝向范围由其位置所决定，具体朝向在其朝向范围内随机生成；

步骤3、评价路径；评价指标包括路径总长度和约束违反程度；所述路径总长度是指按照导航顺序依次连接起点、中间路点、终点所形成的全部路段长度之和；所述路段是指两个相邻路点之间的路径；所述约束违反程度是指导航交接约束违反程度，当运动体在交接区域内的路径长度大于或等于约束值时，约束违反程度为0，否则，约束违反程度为两者的绝对差；

步骤4、记录初始种群的最优路径；若初始种群中存在约束违反程度为0的路径，则在约束违反程度为0的路径中选取路径总长度最短的那条路径作为初始种群的最优路径，若初始种群所有路径的约束违反程度均大于0，则选取约束违反程度最小的那条路径作为初始种群的最优路径；

步骤5、采用差分进化算法优化路径；首先通过变异、交叉操作产生新路径，其中，变异和交叉操作仅作用于路点的位置，路点的朝向范围随其位置的改变而改变，朝向在其范围内随机生成；