复杂海战场环境下AUV全局路径规划方法探究

复杂海战场环境下 AUV全局路径规划方法探究

杨宇凌 白柯鑫 李璐 武致和

北方自动控制技术研究所，山西省 太原市 030006

【摘要】无人自主水下航行器在复杂海战环境当中进行路径规划时，一般会受到诸多因素影响，其中涵盖了战场地形、障碍物、海流场等诸多因素影响。为了有效优化AUV全局路径规划方案，更好地为复杂海战环境进行服务，本文将针对AUV全局路径规划建模方法进行分析，通过对栅格法、拓扑法、可视图法进行比较，明确不同AUV全局路径规划建模方式的优缺点，并且对未来复杂海战环境下AUV全局路径规划优化方式进行分析，确保无人自主水下航行器的应用效率，促进我国海军领域现代化发展。

【关键词】复杂海战场；AUV；路线规划建模

在社会不断发展和进步的当下，信息化技术、智能化技术已经应用到了社会各个领域当中，在军事领域当中迅速蔓延，促使我国现代化军事事业得到了迅速发展。在AUV全局路径规划算法的支撑下，能够实现AUV自主巡航，对复杂海底环境开展全面分析管控，确保复杂环境下海战中占领优势。本文将针对复杂海战场环境下AUV全局路径规划方法相关内容进行详细分析。

1. 无人自主水下航行器分析

无人自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle， AUV ）是当前我国海战领域比较常见的机器设备，具备一定的科学性和先进性。无人自主水下航行器主要是在无人驾驶的情况下，依靠自身携带的动力，自主的完成复杂海洋环境当中预设的任务。针对海底环境建模来说，是无人自主水下航行器开展全局路径规划巡航当中不可忽视的环节，直接影响着无人自主水下航行器完成任务的水平。一般情况下，为了展现出无人自主水下航行器的实际价值，会在无人自主水下航行器执行任务之前，对所处海洋环境进行计算机分析处理，构建出最优化的全路径规划模型，以便于探寻出最优化巡航与任务执行路径。在进行无人自主水下航行器全局路径规划的过程中，受到诸多因素影响，影响最大的因素便是无人自主水下航行器探测能力、障碍物特性影响。所以当前AUV全局路径规划建模时，挑战难点主要有以下两个层面的困难。其一，海底环境较为复杂，针对障碍物密集的海底环境来说，建模的精度相对较低。其二，海流因素对环境建模后续的算法会产生较大的影响，将海流因素转化为参数数据，直接增加了建模以及算法应用过程的难度。

2. AUV全局路径规划建模方法

2.1、栅格法

栅格法是AUV全局路径规划模型当中最为普遍、基础的模型类型，最早是由Elfes和Moravec等学者提出的一种建模方式，其中栅格法就是对运行环境进行分析，将其分成相应的方格，以栅格为单位，对该区域的信息进行分析把控，是一种在地图上使用路径规划的算法单元。栅格法在复杂海底环境当中建模应用时，一般都是基于二维建模模型，并且建模的构造非常简单，相对更加便于管理，能够支持快速检索、存储、管理，并且当前栅格法在AUV全局路径规划建模当中应用的较为成熟。在一般情况下，网格尺寸的规划与传感器的性能与AUV体积有着紧密联系。栅格法比较容易向三维空间拓展，但是该模型也存在一定弊端，便是决策速度慢、数据信息分析效率较低。在过度精细化的栅格划分当中，虽然可以确保精准度，但是数据信息计算时间相对较长，无法及时为决策带来强大基础保障。

2.2、拓扑法

拓扑法的基础建模思想便是将规划空间分割成拓扑特性一致的子空间，并且构建出拓扑网络，在拓扑网络上寻找出起点到终点的拓扑路径，并且由拓扑路径来求出几何路径。在拓扑法模型被提出来并且应用之后，拓扑法不断进行创造和改进，借助图形方法实现了拓扑路径算法规划，真正将复杂的几何计算问题转化为图形简单处理，确保问题变得更加直观和灵活。但是拓扑法自身还存在一定的缺点，其缺点便是若局部障碍发生变化，那么整个拓扑空间需要进行重新构造，所以会浪费大量的时间。拓扑法和格栅法的根本区别便是拓扑法是天生三维环境的建模方法，可以更好地适应水下环境，并且可以完全描述海底地形和结构特征，并且数据信息获取效率、存储效率相对较高。在得不到精准环境信息的情况下，拓扑法可以依靠环境特征信息和传感器检测信息来确定AUV的方位。但是从客观层次上来看，拓扑法的模型构建复杂程度较高，并且会占用大量的空间，无法灵活处理局部发展的变化和障碍，在国内外应用的效率相对较低。

2.3、可视图法

可视图法最大的优势便是用多边形描述环境便捷以及障碍物轮廓，并且可以将AUV看做大小可以忽略的质点。将AUV的起点、每个障碍物的定点、目标点，借助直线连接在一起，并且连接直线不能穿过障碍物，由此获得一张无碰撞路径图，即可视图。但是从客观角度上来看，可视图的缺点有2个，一个是规划冗余路线相对较多，另一个便是移动目标视作质点可能会出现与障碍物碰撞的情况。将可视图应用到路径规划应用当中，一般是将障碍物矩形化，提升路径规划的效率，但是能保障局部最优路径。

3. AUV全局路径规划模型优化展望

3.1、栅格法优化

栅格法环境建模需要朝着三维可视化方向发展，借助信息技术手段对空间开展更加详细、更加细致化的表达。将海流速度、流向这些约束条件加入到路径规划算法当中。做好PSO和GA双层路径规划融合，加入海流约束条件，提升水下巡航任务完成度和精准度。

3.2、可视图法优化

可视图法建模优化的过程中，应该尽可能避免AUV在海流存在的情况下进入死区，引入人工势场法，强化建模反应速度、数据信息处理速度。改善局部的极小值问题，将海流因素考虑到人工势场法当中，优化AUV避障效率。真正将可视图法建模与人工势场法结合，切实强化路线规划效率，确保AUV巡航过程更加真实高效。

结束语

总而言之，AUV全局路径规划算法，是AUV最为核心的技术之一，适用于复杂海战环境当中。在实际进行AUV全局路径规划模型构建的过程中，应该对各项模型进行分析，不断优化AUV全局路径规划效率，切实展现出AUV的应用价值，促进我国海军发展速度，为复杂海战场环境进行军事部署奠定良好基础支撑。

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