一种无人艇自主性能评估方法与流程

本发明属于水面无人艇自主性能研究设计技术领域，具体涉及一种无人艇自主性能评估方法。

背景技术：

水面无人艇作为一种无人操作的舰艇，具有体积小、航速快、机动性强、模块化等特点，可用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务，签于上述特点，近年来，水面无人艇在军事及民用领域愈发获得人们重视，而自主化水平尤其自主路径规划、自主路径跟踪、自主避碰性能是决定其工程应用的重要因素，由于国内尚未提出无人艇自主性能评估方法，难以对无人艇自主路径规划、自主路径跟踪、自主避碰等自主性能开展评估，不利于无人艇自主性能的改善和提升，因此有必要对无人艇自主性能评估方法开展研究，提出可在湖上或海上实施、操作简单、保障方便、科学合理的试验流程和评估方法，从而对不同单位研制的无人艇开展自主性能评估，充分了解国内无人艇自主化水平，同时可作为相关无人艇竞争性研制项目中的评估手段。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种无人艇自主性能评估方法，以填补国内水面无人艇自主性能评估手段缺乏的空白，可在湖面或海上对无人艇自主性能开展试验评估，评估过程相对简单，评估方法合理。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种无人艇自主性能评估方法，包括如下步骤：

(1)试验工具准备：试验工具至少包括GPS或北斗、惯性设备以及录取设备和秒表，试验过程中不同无人艇使用精度相同的GPS或北斗(精度优于1m)以及惯性设备为自主控制系统提供位置和航向信息，同一录取设备录取无人艇航行轨迹坐标，同一秒表记录无人艇自主航行时间；

(2)水域选择：根据无人艇自主性能主要由自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能综合决定，针对不同性能评估选择水域：自主路径规划性能评估只在电子海图上开展，选择电子海图上复杂的水域，即选择无人艇路径起点和目标点连线尽可能穿越多片陆地、多个岛礁；自主路径跟踪性能评估和自主避碰性能评估在实际水域开展，选择空旷水域，如湖面或海面(水面无其它障碍物)，水域面积根据实际情况而定；

(3)性能评估：

①自主路径规划性能评估

在电子海图上选择无人艇路径起点M和路径目标点N，线段尽可能穿越不同陆地及岛礁(可将起点设置在比较狭窄的港湾内，而将目标点设置在岛礁众多的区域)，直线距离S₁至少150nmile(目前国内无人艇航程大致在300nmile内)；各无人艇根据给定的起点坐标和目标点坐标在电子海图上自主规划从起点至目标点之间的路径，规划过程中严禁人工干预，自主路径规划完成后在电子海图上显示规划出的路径并提取各节点坐标，理论自主路径规划时间记为t₁，同时计算各节点路径总长度ΔS₁，并记录总规划时间Δt₁；

②自主路径跟踪性能评估

将GPS或北斗布置在无人艇舱外相同位置处，录取设备固定在舱内，GPS或北斗与录取设备连接，以10Hz频率录取经纬度坐标，无人艇从起点出发时刻记为t₂₁，到达目标点时刻记为t₂₂，无人艇起点和目标点之间距离(路径总长度)S₂，自主路径跟踪过程中最高航速限定为V₂，从起点至目标点的最短时间记t₂＝S₂/V₂；记录从起点至目标点，自主路径跟踪过程中无人艇跟踪轨迹坐标；试验结束后，进行数据处理，剔除轨迹坐标中的奇异值，之后计算各实际跟踪轨迹坐标与各理论跟踪轨迹坐标之差μ_k，k＝1,2,...,m，m为实际录取的轨迹点总数，并记录总规划时间Δt₂；

③自主避碰性能评估

在空旷水域内设置无人艇起点和目标点，其直线距离为S₃(至少3km)，在起点与目标点连线中心处布置障碍物，障碍物上放置反射体；

将GPS或北斗布置在无人艇舱外相同位置处，录取设备固定在舱内，GPS或北斗与录取设备连接，以10Hz频率录取经纬度坐标，无人艇从起点出发时刻记为t₃₁，到达目标点时刻记为t₃₂，航行过程中最高航速限定为V₃，从起点至目标点的最短时间记t₃＝S₃/V₃，无人艇从起点至目标点自主航行过程中，根据传感器所探测的障碍物距离、方位，局部重新规划路径以自主避开障碍物，记录从起点至目标点过程中无人艇轨迹坐标；试验结束后，进行数据处理，剔除轨迹坐标中的奇异值，之后计算轨迹点总长度ΔS₃，并记录总规划时间Δt₃；

(4)评估方法

采用以下无量纲公式分别评估自主路径规划性能Γ_{rou_plan}、自主路径跟踪性能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，每艘无人艇重复上述试验n次，n≥8，即自主路径规划、自主路径跟踪、自主避碰分别开展n次，单次自主路径规划性能、单次自主路径跟踪性能、单次自主避碰性能分别记为i＝1,2,..,n，则最终的自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能计算公式分别如下：

无人艇自主性能Γ主要由自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能综合决定，其计算公式如下：

其中，0≤ω₁,ω₂,ω₃≤1，ω₁+ω₂+ω₃＝1，ω₁,ω₂,ω₃根据实际情况而定；

通过比较Γ的大小来评估无人艇自主性能，Γ值越小，无人艇自主性能越好。

按上述方案，在自主路径规划性能评估中，式(1)中的参数作如下选择σ₁≥0.9，σ₂≤0.1，t₁＝10(由于一般情况下无人艇出发之前有充足的时间开展自主路径规划工作，且自主路径规划时间一般都在10s内，而规划出的路径总长度是否最短是大家比较关注的，也是自主路径规划性能主要评估指标，实时性一般都能满足要求，属于性能评估中的次要因素)。

按上述方案，在自主路径跟踪和自主避碰过程中，时间和精度(或实际轨迹长度)同时考虑，各自的权重根据实际情况选择，式(2)及式(3)中的参数选择σ₃＝0.5，σ₄＝0.5，σ₅＝0.5，σ₆＝0.5。

按上述方案，公式(7)中，选择ω₁＝1/3，ω₂＝1/3，ω₃＝1/3。

按上述方案，所述步骤(2)中水域长度至少5km，宽度至少500m。

按上述方案，自主避碰性能评估中，障碍物采用小船模拟，小船上放置反射体，小船通过抛锚或其它方式固定在湖底或海底，小船长度和反射体大小、布置高低根据实际情况定(小船采用3m长、1m宽左右)。

按上述方案，自主避碰性能评估中，若无人艇轨迹进入以障碍物中心为圆心、半径为R的圆内，则无人艇自主避碰失败，其中R满足：2R＝1.5倍障碍物长度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明通过提出采用无人艇在有限距离内自主规划出的路径长度与时间，有限距离内自主路径跟踪轨迹误差和与时间，有限距离内航行轨迹长度与时间，并将已转化为无量纲参数的长度与时间、轨迹误差和与时间、轨迹长度与时间进行比例组合来评估无人艇自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能的高低或优劣；

2、基于上述三种性能，采用权重分配组合来开展无人艇自主性能综合评估，同时提出了具体的评估流程，评估过程保障措施方便、评估方法简洁易行且科学合理，可在湖面或海上对无人艇自主性能开展试验评估，成果填补了国内外水面无人艇自主性能评估手段缺乏的空白；

3、本发明可用于对不同类型水面无人艇自主性能高低尤其自主避碰性能高低开展试验评估，是验证无人艇自主导航控制系统设计优劣的重要手段。

附图说明

图1为本发明实施例无人艇自主路径规划性能评估示意图；

图2为本发明实施例无人艇自主路径跟踪性能评估示意图；

图3为本发明实施例无人艇自主避碰性能评估示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

(1)自主路径规划性能评估实施方式

如图1所示，在电子海图上选择某一复杂区域，设置起点M和目标点N，其直线距离为S₁，S₁≥150nmile，其连线穿过多片陆地及岛礁。各无人艇根据给定的起点坐标和目标点坐标在电子海图上自主规划从起点至目标点之间的路径，规划过程中严禁人工干预，自主路径规划完成后需在海图上显示规划出的路径并提取如图1中A、B、C、D等各节点坐标，同时计算各节点路径总长度ΔS₁，ΔS₁＝MA+AB+BC+CD+CN，并记录总规划时间Δt₁。

(2)自主路径跟踪性能评估实施方式

如图2所示，在宽敞的湖面或海面上标定无人艇需跟踪的路径，路径总长度为S₂(其长度根据实际情况而定，一般至少5km)。试验过程中无人艇位于起点M，其自主路径跟踪终点为目标点N，自主路径跟踪中最高航速限制为V₂(如30kn)，则从起点至目标点的最短时间t₂＝S₂/V₂；无人艇从起点出发时刻t₂₁开始计时，至目标点时刻t₂₂计时结束，记录无人艇从起点至目标点过程中自主路径跟踪轨迹坐标(所有的无人艇均采用相同GPS或北斗，精度优于1m)，轨迹点频率根据实际情况而定(一般可采用10Hz)。试验结束后，进行数据处理，剔除轨迹坐标中的奇异值，之后计算各实际跟踪路径轨迹坐标与需跟踪路径轨迹坐标之差μ_k(k＝1,2,...,m，m为实际录取的轨迹点总数)，并记录总规划时间Δt₂。

μ_k计算方法如下(以图2中线段MA为例)：

根据M点坐标和A点坐标计算直线MA方程，具体计算方法可参考相关高中数学课本。获得直线MA方程后即得到了经纬度之间坐标关系，之后将实际跟踪路径轨迹坐标中的λ_i或代入直线MA方程，之后便得到理论纬度或经度λ_k-true，则或μ_k＝λ_k-λ_k-true。

(3)自主避碰性能评估实施方式

如图3所示，在宽敞的湖面或海面上标定起点和目标点，其直线距离为S₃(其长度根据实际情况而定，一般至少3km)，将障碍物布置于起点、目标点连线的中心位置处，障碍物上放置反射体。试验过程中无人艇位于起点M，其自主航行终点为目标点N，航行中最高航速限制为V₃(如30kn)，则从起点至目标点的最短时间t₃＝S₃/V₃；无人艇从起点出发时刻t₃₁开始计时，至目标点时刻t₃₂计时结束，无人艇从起点至目标点自主航行过程中，根据传感器所探测的障碍物距离、方位，将局部重新规划路径以自主避开障碍物，记录从起点至目标点过程中无人艇轨迹坐标(所有的无人艇均采用相同的GPS或北斗，精度优于1m)，轨迹点频率根据实际情况而定(一般可采用10Hz)。试验结束后，进行数据处理，剔除轨迹坐标中的奇异值，之后计算轨迹点总长度ΔS₃，并记录总规划时间Δt₃。数据处理过程中若无人艇轨迹进入以障碍物中心为圆心、半径为R(2R＝1.5倍船长)的圆内，则无人艇自主避碰失败。

采用无量纲公式(1)～(3)分别评估自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能，式(1)～(3)中，一般选择σ₁≥0.9，σ₂≤0.1，t₁＝10，σ₃＝0.5，σ₄＝0.5，σ₅＝0.5，σ₆＝0.5。

每艘无人艇重复上述试验n次(n≥8)，单次自主路径规划性能、单次自主路径跟踪性能、单次自主避碰性能分别记为(i＝1,2,..,n)，则最终的自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能计算公式分别如式(4)、(5)、(6)所示。

若第i次无人艇自主避碰失败，则(ε＝5～10)，(j＝1,2,...,n,j≠i)。

无人艇自主性能Γ主要由自主路径规划性能、自主路径跟踪性能、自主避碰性能综合决定，其计算公式如式(7)所示。

通过比较Γ的大小来评价无人艇自主性能，Γ值越小，无人艇自主性能越高。

实施例中障碍物采用小船模拟，小船上放置反射体，小船长3m左右、宽1m左右，小船通过抛锚或其它方式固定在湖底或海底。

本发明可根据实际需求对无人艇自主路径规划、自主路径跟踪、自主避碰等自主性能开展评估。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。